医用金属材料

1、1 金属材料在生物医用材料中的应用【目录目录】简介生物学要求分类新型医用金属研究发展表面改性总结13Part 1【简介】生物医用金属材料，如不锈钢、钴基合金、钛和钛合金以及贵金属等与生物物陶瓷及生物高分子材料相比具有高强度、良好的韧性及抗弯曲疲劳强度、优异的加工性能等许多其他医用材料不可替代的优良性能。生物医用金属材料在应用中面临的主要问题，是由于生理环境的腐蚀而造成的金属离子向周围组织扩散以及植入材料自身性质的退变，前者可能导致毒副作用，后者可能导致植入失效。因此研究和开发性能更优、生物相容性更好的新型生物医用金属材料是材料工作者和医务工作者共同关心的课题。24Part 2【生物学要求】良好

2、的组织相容性，包括无毒性、无热源反应、不致畸、不致癌、不引起过敏反应或干扰机体的免疫机理、不破坏临近组织，也不发生材料表面的钙化沉着等。物理和化学稳定性好，包括强度、弹性、尺寸稳定性、耐腐蚀性、耐磨性以及界面稳定性等。易于加工成型，材料易于制造，价格适当对于植入心血管系统或与血液接触的材料，除能满足以上条件外，还须具有良好的血液相容性，即不凝血（抗凝血陛好）、不破坏红细胞（不溶血）、不破坏血小板、不改变血中蛋白（特别是脂蛋白）、不扰乱电解质平衡等。35Part 3【分 类】4医用不锈钢医用钴基合金医用钛及钛合金贵金属以及钽铌锆等医用不锈钢医用不锈钢近代第一种用作植入材料的是不锈钢18-8（标准

3、牌号302），其强度比钒钢高，抗蚀能力也较强。后来，在18-8不锈钢的基础上，人们发展了316不锈钢。该不锈钢中Mo元素的存在改善了其在生理盐水中的抗蚀性。至20世纪50年代，316不锈钢中的最高碳含量由0.08（质量分数）降到0.03（质量分数），提高了316不锈钢在氯化物溶液中的抗蚀性能，成为新的316不锈钢。5医用不锈钢医用不锈钢316不锈钢是制作医用人工关节比较廉价的常用金属材料，主要用作关节柄和关节头材料。但临床表明316不锈钢植入人体后，在生理环境中，有时会产生缝隙腐蚀或摩擦腐蚀以及疲劳腐蚀破裂等问题，从而引起假体松动，最终导致植入体失效。6医用不锈钢医用不锈钢近些年来低镍和无镍的

4、医用不锈钢正逐渐得到发展和应用。日本的物质材料研究所（筑波市）开发了一种不含镍的硬质不锈钢的简易生产方法。这样生产的无镍不锈钢解决了原来难以加工而制造成本太高的问题。利用此法生产的无镍不锈钢生产成本低廉，有望广泛用于医疗领域例。7医用钴基合金医用钴基合金钴基合金通常指CoCr合金，有种基本牌号：CoCrMo合金和CoNiCr Mo合金。锻造加工的CoNiCr Mo合金是一种新材料，用于制造关节替换假体连接件的主干，如膝关节和髋关节替换假体等。美国材料实验协会推荐了种可在外科植入中使用的钴基合金，它们是：锻造CoCrMo合金（F76），锻造CoCr WNi合金（F90），锻造CoNiCrMo合金

5、（F562），锻造CoNiCr MoWFe合金（F563）。其中锻造CoCrMo合金和锻造CoNiCr Mo合金已广泛用于植入体制造。8医用钴基合金医用钴基合金四川大学华西口腔医院的研究人员发现，深冷处理可以有效提高钴铬钼高熔铸造合金的抗拉强度，也能有效增强口腔铸造合金的弯曲弹性模量、抗弯强度、耐磨性和耐腐蚀性。但是由于钴基合金价格较高，并且合金中Co、Ni元素存在着严重致敏性等生物学问题，应用受到一定的限制，近些年通过表面改性技术来改善钴基合金的表面特性，有效提高了其临床效果。9医用钛及钛合金医用钛及钛合金纯钛具有无毒、质轻、强度高、生物相容性好等优点，因此，20世纪50年代美国和英国开始把

6、纯钛用于生物体。到了20世纪60年代，钛合金开始作为人体植入材料而广泛应用于临床。从最初的Ti-6Al-4V到随后的Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb合金，以及近些年发展起来的新型钛合金，钛合金在人体植入材料方面获得了较大的发展。1973年北京有色金属研究总院与天津市骨科医疗器械厂合作生产了300个钛人工股骨和髋关节，并用于临床。10医用钛及钛合金医用钛及钛合金由于钒有毒，对人体具有潜在的有害影响，因此20世纪70-80年代世界各国开始用钛合金研制无钒植入物。80年代中期种新型型钛合金Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb在欧洲得到了发展，这类合金的力学性能与Ti-6Al-

7、4V相近，具有较好的生物相容性和耐腐蚀性。11医用钛及钛合金医用钛及钛合金然而此类合金仍含有舢元素（Al元素能导致器官的损伤，引起骨软化、贫血和神经紊乱等症状），且其弹性模量为骨弹性模量的410倍。种植体与骨弹性模量之间的不匹配，使得载荷不能由种植体很好地传递到相邻骨组织，出现“应力屏蔽”现象，从而导致种植体周围出现骨吸收，最终引起种植体松动或断裂，造成种植失败。12贵金属及钽铌锆贵金属及钽铌锆医用贵金属是指用作生物医用材料的金、银、铂及其合金的总称。贵金属的生物相容性较好，但价格昂贵，所以类贵金属得到发展，如仿金材料的研究。钽具有很好的化学稳定性和抗生理腐蚀性，钽的氧化物基本上不被吸收和不呈

8、现毒性反应，可以和其他金属结合使用而不破坏其表面的氧化膜。13贵金属及钽铌锆贵金属及钽铌锆在临床上，钽也表现出良好的生物相容性。铌、钽及锆与钛都具有极相似的组织结构和化学性能，在生物医学上也得到一定应用。但总的来说，医用贵金属和钽、铌、锆等金属因其价格较贵，广泛应用受到限制1416Part 4【新型医用金属研究进展】15镁及镁合金由于密度低，比强度、比刚度高等优异的综合性能已被较为广泛地应用在航空航天、电子通信、汽车制造等领域。从这十几年来国内外对镁及镁合金各方面的报道发现镁如作为硬组织植入材料，与现己投入临床使用的各种金属植入材料相比，具有资源丰富、与人骨的密质骨密度相近、镁及镁合金有高的比

9、强度与比刚度且加工性能良好、能有效地缓解应力遮挡效应等优点。此外，镁离子对人体的微量释放是有益的，且镁及其合金与生物相容性好，资源丰富，价格低。17Part 4【新型医用金属研究进展】16虽然有很多优于其他金属生物材料的性能，但镁及镁合金的耐蚀性能较差，并且在腐蚀介质中产生的氧化膜疏松多孔，不能对基体产生很好的保护作用。尤其是在含有一离子的腐蚀介质中，表面膜的完整性会遭到破坏，导致腐蚀加剧。因此，要使镁及镁合金替代现有金属生物材料成为可能，必须对其进行表面改性，以满足临床应用对生物材料耐蚀性能的苛刻要求。18Part 5【表 面 改 性】171 1稀土转化膜对镁及镁合金进行表面改性2 2碱处理

10、热处理对镁及镁合金的表面改性19Part 5【表 面 改 性】18稀土无毒环保，而且具有较好的生物相容性。用激光在Ti-6Al-4V上合成及涂覆含稀土的生物基钙磷基陶瓷涂层。植入成年狗7-180d后，与骨结合良好。可见，将稀土转化膜工艺处理过的纯镁或镁合金应用在生物材料领域是可能的1 1稀土转化膜对镁及镁合金进行表面改性20Part 5【表 面 改 性】19在803下热处理9-25后，再将试样放在HBSS溶液中浸泡。风干后用失重法测量发现部分试样重量不但没有减少，而且有增加的现象。并且增加的重量（质量百分比）与热处理时间成正比。用碱处理的方法表面改性纯镁，探索其在生物医用材料领域应用的可能性。2 2碱处理热处理对镁及镁合金的表面改性但这种碱处理法处理纯镁还存在着许多问题，如碱液处理纯镁时对纯镁的严重腐蚀、涂层致密疏松等，都需要解决与完善。21Part 6【总 结】20对镁及镁合金作为医用金属材料进行研究在国外也刚起步，但镁及镁合金作为现有金属生物材料的新一代产品所表现出