《生物材料》课件 第03章 医用金属材料

1、3.1 概述3.2 医用金属材料的特征与要求3.3 常用医用金属材料3.4 医用金属材料的腐蚀3.5 金属与合金表面涂层处理3.6 医用金属材料研究进展医用金属材料定义：用作生物医用材料的金属或合金，又称为外科用金属材料或金属植入材料，是一类生物惰性材料（考）。医用金属材料历史公元前400-300年，腓尼基人就用金属丝修复牙的缺失；中国唐代（公元618-907年），有用银膏（银、汞 和 锡）补牙的记载；20世纪初，不锈钢的开发使得金属材料在生物医用器材上的应用发展更为广阔；近20年来，金属植入材料与其他生物医用材料相比发展较为缓慢；医用金属材料的应用及简要分类：医用金属材料主要用于应组织系统的

2、功能。目前临床应用的金属植入材料主要包括：医用贵金属、医用钛、钽、铌、锆等单质金属，以及不锈钢、钴基合金、钛合金、镍钛形状记忆合金、磁性合金等。3.1 概述3.2 医用金属材料的特征与要求3.3 常用医用金属材料3.4 医用金属材料的腐蚀3.5 金属与合金表面涂层处理3.6 医用金属材料研究进展 生物医用金属材料服役期内，处于人体生理环境中，需要满足如下要求：良好的生物相容性适当的机械及理化性能简易可行和确切的手术操作技术来源广泛、价格低廉、加工简易金属材料的生物相容性金属材料的腐蚀性能金属材料的机械性能金属材料的生物相容性金属材料的腐蚀性能金属材料的机械性能 生物医用金属材料服役期内，首先应

3、该具有的性能就是生物相容性：最小的生物学反应、无不良刺激、无毒害、不引起毒性反应、不引起免疫反应、不干扰免疫机制、不致癌、不致畸、无炎性反应、不引起感染、不被排斥。植入后需要较长时间存在（永久或半永久发挥生理功能），材料要有助于伤口愈合。最重要的性能是金属材料的毒性。 金属材料的毒性反应 和 材料释放的化学物质和浓度相关。元素的细胞毒性与它们在元素同期表中的位置有密切关系；某些有毒金属单质与其他金属元素形成合金后毒性可以减小或消失；金属Ni 是一个致癌比较严重的元素，对Ni 元素的使用应持谨慎的态度。金属材料的生物相容性金属材料的腐蚀性能金属材料的机械性能 金属生物材料浸泡在体液中，而体液含有

4、蛋白质、有机酸(如乳酸) 、碱金属和无机盐等。钠、钾、钙、氯等离子均为电解质，可使金属产生腐蚀。蛋白质与金属间相互作用, 引起非电化学降解。金属的不纯产生局部原电池腐蚀, 或结合处磨损、应力集中和疲劳性断裂。 临床应用金属生物材料腐蚀问题应重点关注口腔材料和其他种植体材料。 口腔材料： 人体中的唾液成分相当复杂，呈现的酸碱程度不同，使口腔材料腐蚀的机制多种多样。一些金属材料在唾液的浸蚀下，容易离子化，主要是被质子置换而成，这些离子就容易与人体中的蛋白质结合成络合物，使pH 急剧变化，从而造成细胞坏死。如Mg、Zn、Cd、Ba、Sr 等元素就属此类。另外一些金属，在唾液侵蚀下，容易氧化形成一层具

5、有保护作用的氧化膜，如Sn和P d 等元素。这些材料的抗腐蚀能力取决于氧化膜的致密程度和被唾液溶解的程度。 种植体的腐蚀分以下几种: l) 一般腐蚀,即为金属钝化膜的破坏, 导致金属与液体电解质接触而释放出金属离子; 2) 电流性腐蚀,即2 种金属放在电解质中会形成原电池,而产生电流腐蚀; 3) 锈斑性腐蚀, 钝化膜崩裂后, 金属的某一位置暴露在体液含氧化物的腐蚀性媒介中而形成腐蚀; 4 ) 缝隙性腐蚀, 某一物体遮盖金属的某一部分, 使该部分金属免与腐蚀性媒介相接触, 但此物体与金属之间就会形成缝隙, 如牙种植体与修复体之间的缝隙, 导致电解质的渗人而产生腐蚀;5) 压力性腐蚀, 牙种植体在

6、体内行使功能时承受着反复的压力, 常发生弯曲、种植体往往在周期力作用下发生裂化而折断; 6) 磨损性腐蚀, 反复移动的小振幅致使表面钝化膜破损, 结果导致腐蚀。金属材料的生物相容性金属材料的腐蚀性能金属材料的机械性能医用金属材料通常作为受力器件在人体内工作，如应用为人工关节、人工椎体、骨折内固定器等。单拿人工关节来讲，每年经受约4百万次的冲击和磨损（每日按1万步计算）；材料必须具备优良的机械性能和耐磨性能。强度与弹性模量人体骨骼虽然抗压强度较低、弹性模量较低，但是具有较高的断裂韧性。生物医用金属材料通常具有较高的弹性模量，一般高出人体骨骼一个数量级，并不具有自行调节能力。对人工金属材料应该具有

7、基本的要求： 屈服强度 不低于 450 MPa； 极限抗拉强度 不低于 800 MPa； 疲劳极限 高于 400 MPa； 伸长率 高于 8%。耐磨性 对于摩擦部件的医用金属材料，耐磨性非常重要： 直接影响植入器件的寿命； 直接决定植入器件的生物相容性；3.1 概述3.2 医用金属材料的特征与要求3.3 常用医用金属材料3.4 医用金属材料的腐蚀3.5 金属与合金表面涂层处理3.6 医用金属材料研究进展不锈钢钴基合金钛和钛合金齿科用金属其他金属不锈钢钴基合金钛和钛合金齿科用金属其他金属1、引言2、医用不锈钢的特点3、医用不锈钢存在的问题和不足4、医用不锈钢的研究与发展 4.1 医用无Ni奥氏体

8、不锈钢 4.2 医用不锈钢的表面改性 4.3 抗菌不锈钢1、引言2、医用不锈钢的特点3、医用不锈钢存在的问题和不足4、医用不锈钢的研究与发展 4.1 医用无Ni奥氏体不锈钢 4.2 医用不锈钢的表面改性 4.3 抗菌不锈钢不锈钢是特殊钢材料，钢中的铬（Cr）含量要超过12% ，用以保证其特有的耐腐蚀性能。不锈钢依据不同的耐腐蚀性能和强度要求，按其显微组织结构分为：奥氏体( C相)、铁素体( A相)、马氏体(M 相) 、双相( C+ A、C+M 等)和沉淀硬化(M + 沉淀析出相) 等多种类型。其中以AISI 316L 和317L为代表的奥氏体不锈钢是最常用的外科植入金属材料，其它类型不锈钢主要

9、用于制作医疗工具或特殊手术器械。1926 年，18% Cr- 8% Ni型不锈钢(AISI304)首先被用作骨科植人材料，随后在口腔科中也得到应用。1952 年, 含有2%金属钼（Mo）的A ISI316 不锈钢在临床上获得应用，并逐渐取代了AISI304不锈钢。上世纪60年代, 具有良好生物相容性、力学性能和更优耐腐蚀性能的超低碳不锈钢AISI316L 和AISI317L 开始在医学领域中得到应用。1、引言2、医用不锈钢的特点3、医用不锈钢存在的问题和不足4、医用不锈钢的研究与发展 4.1 医用无Ni奥氏体不锈钢 4.2 医用不锈钢的表面改性 4.3 抗菌不锈钢医用不锈钢： 要求其在人体内保

10、持优良的耐腐蚀性，以减少金属离子溶出，避免晶间腐蚀、应力腐蚀等局部腐蚀现象发生，防止造成植入器件失效断裂，保证植入器械的安全性，因此其化学成分要求相对更加严格。 医用不锈钢特别是植入用不锈钢：其中的Ni和Cr等合金元素含量均高于普通不锈钢(通常达到普通不锈钢的上限要求)；S和P等杂质元素含量要低于普通不锈钢；并明确规定钢中非金属夹杂物尺寸要分别小于115级(细系)和1级( 粗系)； 医用不锈钢应用广泛：各种人工关节和骨折内固定器械，如各种人工髋关节、膝关节、肩关节、肘关节、腕关节、踝关节和指关节，各种规格的截骨连接器、加压钢板、鹅头骨螺钉、脊椎钉、骨牵引钢丝、人工椎体等, 以及颅骨板、人工椎体

11、等。在齿科方面，医用不锈钢被广泛应用于镶牙、齿科矫形、牙根种植及辅助器件，如各种齿冠、齿桥、固定支架、卡环、基托等，各种规格的嵌件、牙齿矫形弓丝、义齿和颌骨缺损修复等。在心脏外科，使用医用不锈钢制作心血管支架等。除用于加工各种外科植入器械外，医用不锈钢还用于加工各种各样的医疗手术器械或工具。 近年来，中国医疗器械行业对质优价廉的医用不锈钢丝材、棒材、骨科专用板材、螺钉等半成品的需求量明显上升, 每年都在几百吨以上。1、引言2、医用不锈钢的特点3、医用不锈钢存在的问题和不足4、医用不锈钢的研究与发展 4.1 医用无Ni奥氏体不锈钢 4.2 医用不锈钢的表面改性 4.3 抗菌不锈钢 医用植入奥氏体

12、不锈钢尽管具有优异的综合性能，但是在长期的临床使用中, 仍然存在一些难以避免的问题和不足。首先是医用不锈钢的高密度(约7.8 g / cm3 ) 、高强度(3001000 MPa)以及高弹性模量(约200 GPa)等特性会因与骨组织的力学性能相差较大而导致其力学相容性不够匹配，从而引起应力遮挡效应，易导致骨疏松、骨吸收或骨萎缩等现象发生。而骨组织由于缺乏足够的机械应力刺激，不易在骨折部位形成骨痂，容易发生二次骨折。其次是医用不锈钢在生物环境中的腐蚀或磨蚀问题。医用不锈钢在人体内发生的主要腐蚀形式是缝隙腐蚀，其次是晶间腐蚀和点蚀，微动腐蚀和应力腐蚀开裂现象也有报道。腐蚀可能会对不锈钢力学性能和生

13、物相容性产生强烈的影响，不仅会影响到材料或器件的使用寿命，还可能由于金属溶出物引起种植体周围组织的局部坏死和炎症反应，造成发炎、过敏和致癌等全身反应,影响宿主的健康。第三是医用不锈钢中含有的Ni, Cr等金属离子溶出及相应的组织反应等问题。植入用医用奥氏体不锈钢中通常含有10%以上的Ni元素，用以稳定不锈钢的奥氏体结构。大量临床已经证明，Ni对人体是一种潜在的致敏因子。Ni及其化合物对人体常见的损害是Ni接触性皮炎，发病率较高，过敏性强者发生湿疹。Ni离子在生物体内富集可能会诱发毒性效应，发生细胞破坏和发炎反应，对生物体有致畸、致癌的危害性。最后就是不锈钢在人体内表现为生物惰性，表面无生物活性

14、，植入人体后与周边肌体组织的结合不牢固，易于松动，有时会影响植入治疗效果。1、引言2、医用不锈钢的特点3、医用不锈钢存在的问题和不足4、医用不锈钢的研究与发展 4.1 医用无Ni奥氏体不锈钢 4.2 医用不锈钢的表面改性 4.3 抗菌不锈钢 4.1 医用无Ni奥氏体不锈钢在1994年颁布的欧洲议会94/27/EC标准中 , 要求植入人体内的材料(植入材料、矫形假牙等)中的Ni含量不应超过0.05%；研究开发医用低Ni和无Ni奥氏体不锈钢已经成为国际上医用不锈钢的一个主要发展趋势。其原理是利用廉价的N 元素(或N和Mn的共同作用)代替不锈钢中昂贵的Ni元素来稳定不锈钢的奥氏体组织结构, 从而使不

15、锈钢继续保持其优异的力学性能、耐腐蚀性能和生物学性能；从近年来新修订的国际标准IS05832- 9 (低N i+ N医用奥氏体不锈钢, 对应美国标准ASTM F1586 ) 中可见, 利用N 元素来代替不锈钢中的部分Ni元素, 可显著提高不锈钢的力学性能和耐腐蚀性能；对比研究高N 无N i不锈钢和医用Co-Cr-Mo 合金( Co62-Cr28-M o6, 余为N i等)的力学性能和生物学性能表明, 高N 无Ni不锈钢的力学性能与Co-Cr-M o合金相近, 而其耐点蚀性能和血液相容性明显优于钴铬钼合金, 表现出更高的点蚀点位、更长的动态凝血初凝时间(高出约25% )和更佳的抗血小板黏附性能；

16、通过大量的临床应用研究已经表明, 与目前临床大量使用的医用316L 或317L不锈钢相比, 高N 无Ni奥氏体医用不锈钢具有更为优异的力学性能、抗耐蚀性能、耐磨性能和抗腐蚀疲劳性能, 更优良的生物相容性, 较低的材料成本, 以及良好的加工成型性。作为人体植入材料具有极大的应用优势, 将会显著提高医用金属植入材料的长期使用安全性。利用高氮无镍奥氏体不锈钢的这些优势, 目前中科院金属所正在开发无N i不锈钢骨固定器械和抗凝血不锈钢心血管支架等产品, 近期已经顺利完成了骨固定器械的动物试验。 4.2 医用不锈钢的表面改性通过表面改性处理不但可以有效地改善医用不锈钢的耐蚀性和耐磨性, 而且还可以进一步

17、提高其生物相容性, 甚至使表面具有生物活性。目前应用于医用不锈钢表面改性的方法主要包括表面合金化、陶瓷化、功能化等表面涂层处理技术。在不锈钢心血管支架表面涂镀一层聚合物膜或覆盖一层有抗凝基因的内皮细胞膜均可以改善支架的生物学特性, 能有效降低血栓形成, 提高支架的血液相容性。不锈钢心血管支架表面镀上一层类金刚石膜, 可以大幅度降低金属离子溶出量。另外, 在不锈钢心血管支架表面涂覆带药涂层已经实现了临床应用。 4.3 抗菌不锈钢植入物类医疗器械导致的相关感染, 通常需要长期依赖抗生素甚至多次手术才能治愈, 给病患的精神和身体都带来极大痛苦。研究开发具有抗细菌感染功能的生物医用材料, 使其具有长期

18、自动灭菌功能, 进而减少感染环节, 降低感染几率, 减少抗生素的使用, 具有重要的临床意义和广阔的应用前景。上世纪90年代末, 日本钢铁企业率先在国际上研究开发出具有抗菌功能的不锈钢。日本川崎制铁株式会社首先公布开发出含Ag 抗菌不锈钢R304-AB, R430-AB, R430LN-AB, 其对大肠杆菌的杀菌率均在99%以上, 表现出优异的抗菌性能。日本日新制钢公司开发出具有良好制造加工性能和抗菌性能的3 种系列含Cu 抗菌不锈钢NSSAM, lSSAM, NSS3, 其对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿脓杆菌、沙门氏菌等常见细菌都有很强的杀灭作用。中科院金属研究所于本世纪初在国内率先研究开发出

19、含Cu系列抗菌不锈钢, 已相继开发出铁素体、奥氏体和马氏体等多种类型抗菌不锈钢。国内目前还有宝钢、太钢、浙江天宝、西安交通大学等多家单位研究开发出抗菌不锈钢。不锈钢钴基合金钛和钛合金齿科用金属其他金属以钴为基体元素同时加入一种或多种合金元素组成的合金。 此合金分为两类：一类是钴-铬-钼合金，通过铸造加工（牙科和人工关节连接件）；一类是钴-镍-铬-钼合金，通过热锻加工（关节替换假体连接件和主干）；钴基合金生物相容性钴基合金在人体内产生稳定的钝化膜，很少见腐蚀现象，耐蚀性好；钴基合金铸造人工髋关节体内的松动率较高，由于金属磨损腐蚀造成钴镍等离子溶出，体内引起巨细胞和组织坏死导致；钴、镍、铬还可以产

20、生皮肤过敏反应，以钴最为严重。钴基合金生临床应用钴基合金更适合制造体内承载苛刻、耐蚀性要求较高的长期植入件，包括人工关节、整形外科植入器械、齿科和心脏外科材料。钴基合金植入器件的制造精密铸造工艺机械变形加工粉末冶金不锈钢钴基合金钛和钛合金齿科用金属其他金属 钛及钛合金是迄今为止最理想的人体植入物金属材料，被当今医疗外科业列为继不锈钢、钴基合金之后崛起的第3 代金属。钛及钛合金作为医用植入物可追溯到20世纪30年代。我国钛合金应用起步较晚，20 世纪80 年代中期以后，国产钛及钛合金加工材用于制造人体植入物的数量增加，其中钛形状记忆合金的开发与应用达到国际先进水平。到了20 世纪90 年代中期，

21、国产钛及钛合金加工材，在矫形外科、神经外科、心血管系统、口腔颌面外科、人体外培养机等方面获得广泛应用。采用钛及钛合金制造的生物医用器件移植到人体中取得了良好的效果，被医学界给予了很高的评价。目前，钛及钛合金已经广泛的应用到了股骨头、髋关节、肱骨、颅骨、膝关节、肘关节、肩关节、掌指关节、颌骨以及心辨膜、肾辨膜、血管扩张器、夹板、假体、紧固螺钉等上百种金属件的制备。同其它金属材料相比较，使用钛及钛合金的优势主要有6 点（考）：1）质轻钛及钛合金的密度，20时为4500 kg/m3，仅为不锈钢的56%。植入人体内大幅度减轻了人体的负荷量，作为医疗器械也减轻了医务人员操作负荷。2）弹性模量低钛及钛合金

22、的弹性模量低，纯钛为108 500 MPa，仅为不锈钢的53%，植入人体内与人体自然骨更接近，有利于接骨，能够减少骨头对植入物的应力屏蔽效应。3）无磁性钛及钛合金是无磁性金属，不受电磁场和雷雨天气的影响，这有利于使用后的人体安全。4）无毒性钛及钛合金的无毒性，作为植入物对人体无毒副作用。5）抗腐蚀性钛及钛合金被称为是生物惰性金属材料，在人体血液的浸泡环境中具有优异的耐腐蚀性能，保证了与人体血液及细胞组织的相容性好，作为植入物不产生人体污染，不会发生过敏反应，这是钛及钛合金应用的基础条件。6）强度高、韧性好因外伤、肿瘤等因素导致骨、关节损害，为建立稳固的骨支架，必须借助弧型板、螺丝钉、人造骨及关

23、节等，这些植入物要长期留置于人体内，会受到人体的弯曲、扭转、挤压、肌肉收缩力等作用，要求植入物具有高的强度和韧性。国产医用型钛及钛合金材料，在研究、生产工艺技术、产品标准、市场开发和推广使用等方面，近10 年来有了较大的进展。作为人体植入物的制造业逐渐成为用钛材的支柱产业。不锈钢钴基合金钛和钛合金齿科用金属其他金属齿科汞齐 含有汞金属成分的合金；金镍-钛合金不锈钢钴基合金钛和钛合金齿科用金属其他金属 金属钽（Ta）具有良好的抗生理腐蚀性和可塑性，独特的表面负电性使其具有优良的抗血栓性能和生物相容性，还有很高的抗缺口裂纹能力。植入骨内能和周围的新骨形成骨性结合；植入软组织中，肌肉等组织可依附在钽

24、条上正常生长。退火后的纯钽很软，可加工成板、带、箔、丝等使用。主要用作接骨板、颅骨板、骨螺钉、种植牙根、颌面修复体、义齿及外科手术缝线和缝合针； 钽网可用于肌肉缺损修补；钽丝和箔用于缝合修补受损的神经、肌腱和血管；钽还可以用于血管内支架及人工心脏、植入型电子装置；钽的同位素可用于放射治疗。只是由于钽的资源少、价格较高，使其推广受很大限制。金属铌（Nb）性能和应用范围与钽非常相似，用于修补颅骨和制作医疗器械。但由于来源困难，价格昂贵，使用受到限制，主要用于制造髓内钉等。金属铬（Cr）化学性能与金属钛相似，耐蚀性能、加工性能、稳定性和生物相容性都很好，主要用于人工骨和修补颅骨，可加工成各种板、带、

25、线材在临床上使用。医用铬可与钛等同使用，但其价格较贵，在临床中较难推广。医用铂（Pa）铂为银白色金属，俗称白金。物化学性质稳定，具有极好的抗蚀性能。广泛的用于人体神经系统植入性检测和修复用电子装置和心脏起搏器等。力学性能差，成本高，限制了在医学中的应用。3.1 概述3.2 医用金属材料的特征与要求3.3 常用医用金属材料3.4 医用金属材料的腐蚀3.5 金属与合金表面涂层处理3.6 医用金属材料研究进展医用金属材料, 广泛地应用于人体组织；源于金属材料的电化学溶解以及与磨损交互作用造成的腐蚀破坏，影响着这些植入材料的使用功能及寿命；评价in vitro 和 in vivo过程及其释放的腐蚀产物

26、, 着重讨论金属材料腐蚀表面的生物相容性, 最后阐述生物医用金属材料腐蚀研究的发展方向和解决现存问题的对策。In vitro 研究动物试验研究人体试验研究发展方向In vitro 研究动物试验研究人体试验研究发展方向1生理环境指标的评定 1. 1化学成分 1. 2服役条件2材料的腐蚀行为 2. 1腐蚀电化学 2. 2缝隙腐蚀和微动腐蚀 2. 3应力腐蚀和腐蚀疲劳3 腐蚀的材料学问题4 腐蚀与生物相容性的关系1生理环境指标的评定 1. 1化学成分 1. 2服役条件2材料的腐蚀行为 2. 1腐蚀电化学 2. 2缝隙腐蚀和微动腐蚀 2. 3应力腐蚀和腐蚀疲劳3 腐蚀的材料学问题4 腐蚀与生物相容性的

27、关系合理的模拟生理环境迄今仍然未能确定；所有模拟生理溶液均未涉及蛋白质和氨基酸, 而蛋白质和氨基酸在金属表面吸附, 可以改变它们的钝化特性；细菌也可以影响金属材料的腐蚀，微生物腐蚀是金属腐蚀科学领域的一个热点问题。1生理环境指标的评定 1. 1化学成分 1. 2服役条件2材料的腐蚀行为 2. 1腐蚀电化学 2. 2缝隙腐蚀和微动腐蚀 2. 3应力腐蚀和腐蚀疲劳3 腐蚀的材料学问题4 腐蚀与生物相容性的关系自然生物电效应和模拟生物电效应；静载和动载作用；生理环境pH的改变；生理溶液中各种离子浓度的改变( 如Cl- )；不同气体的溶解( 如O2 ) ；生物医用金属材料腐蚀速率。1生理环境指标的评定

28、 1. 1化学成分 1. 2服役条件2材料的腐蚀行为 2. 1腐蚀电化学 2. 2缝隙腐蚀和微动腐蚀 2. 3应力腐蚀和腐蚀疲劳3 腐蚀的材料学问题4 腐蚀与生物相容性的关系1生理环境指标的评定 1. 1化学成分 1. 2服役条件2材料的腐蚀行为 2. 1腐蚀电化学 2. 2缝隙腐蚀和微动腐蚀 2. 3应力腐蚀和腐蚀疲劳3 腐蚀的材料学问题4 腐蚀与生物相容性的关系典型的生物医用金属材料在模拟生理溶液中电化学腐蚀参数腐蚀电位( Ecorr ) 、击穿电位( Epit) 和保护电位( Eprot ) 不同报道的研究结果较为分散1生理环境指标的评定 1. 1化学成分 1. 2服役条件2材料的腐蚀行

29、为 2. 1腐蚀电化学 2. 2缝隙腐蚀和微动腐蚀 2. 3应力腐蚀和腐蚀疲劳3 腐蚀的材料学问题4 腐蚀与生物相容性的关系AISI 316L 不锈钢的缝隙腐蚀现象非常严重，钴基合金和Ti6Al4V 则具有较强的抗缝隙腐蚀的能力；Co-Cr-Mo 合金抗腐蚀能力较强；在50 的模拟生理溶液中浸泡一年以上, 可观察到缝隙腐蚀现象；总的规律是：AISI 316L不锈钢的腐蚀速率最大, 钴基合金最低, Ti6Al4V 合金与Co-Cr-Mo合金相当。1生理环境指标的评定 1. 1化学成分 1. 2服役条件2材料的腐蚀行为 2. 1腐蚀电化学 2. 2缝隙腐蚀和微动腐蚀 2. 3应力腐蚀和腐蚀疲劳3

30、腐蚀的材料学问题4 腐蚀与生物相容性的关系在升温或者有较高应力作用的极化条件下, 生物医用金属材料应力腐蚀开裂的孕育时间缩短, 裂纹扩展速率增加；当载荷超过断裂韧性值, 电位同时处在应力腐蚀开裂区间的条件下, AISI 316L 不锈钢的裂纹扩展速率达到2.410-10 m/s；在模拟生理溶液中的裂纹扩展速率明显高于在空气中的数据；各种疲劳过程的交互作用, 例如缝隙腐蚀/ 微动腐蚀, 孔蚀/ 应力腐蚀开裂, 孔蚀/ 腐蚀疲劳, 应力腐蚀开裂/ 腐蚀疲劳等共同作用, 均可能造成植入金属材料更为严重的破坏。1生理环境指标的评定 1. 1化学成分 1. 2服役条件2材料的腐蚀行为 2. 1腐蚀电化学

31、 2. 2缝隙腐蚀和微动腐蚀 2. 3应力腐蚀和腐蚀疲劳3 腐蚀的材料学问题4 腐蚀与生物相容性的关系在升温或者有较高应力作用的极化条件下, 生物医用金属材料应力腐蚀开裂的孕育时间缩短, 裂纹扩展速率增加；当载荷超过断裂韧性值, 电位同时处在应力腐蚀开裂区间的条件下, AISI 316L 不锈钢的裂纹扩展速率达到2.410-10 m/s；在模拟生理溶液中的裂纹扩展速率明显高于在空气中的数据；各种疲劳过程的交互作用, 例如缝隙腐蚀/ 微动腐蚀, 孔蚀/ 应力腐蚀开裂, 孔蚀/ 腐蚀疲劳, 应力腐蚀开裂/ 腐蚀疲劳等共同作用, 均可能造成植入金属材料更为严重的破坏。1生理环境指标的评定 1. 1化

32、学成分 1. 2服役条件2材料的腐蚀行为 2. 1腐蚀电化学 2. 2缝隙腐蚀和微动腐蚀 2. 3应力腐蚀和腐蚀疲劳3 腐蚀的材料学问题4 腐蚀与生物相容性的关系生物医用金属材料in vitro腐蚀研究的主要缺点就是未能将释放腐蚀产物的种类、浓度和数量与生物相容性之间建立起直接联系。生物医用金属材料的毒性表现为新陈代谢过程的改变，宿主-植入体间相互作用的变化，金属半抗原部分的免疫致敏作用(特殊的免疫活化作用) ，化学趋向性造成的非特异免疫抑制作用，以及化学致癌作用等方面。金属腐蚀产生的金属固体颗粒，或者溶解于模拟生理溶液的金属离子对成纤维细胞、癌细胞、淋巴细胞、嗜中性粒细胞和巨噬细胞等产生明显

33、的影响。固体颗粒的尺寸和形状表现出对成纤维细胞吸附、迁徙和定向排布的明显影响。不同金属离子的生物毒性相差2-3个数量级，而且金属离子浓度对细胞的毒性作用存在一临界值，低于临界浓度, 则没有发现金属离子的毒性作用。针对矫形植入体关节头-柄结合部通常形成的腐蚀产物磷酸铬盐，磷酸铬盐颗粒作为一种有效的单核巨噬细胞激活剂, 可加快骨质吸收。In vitro 研究动物试验研究人体试验研究发展方向动物试验研究主要包括生物医用金属材料在体液或者在组织中发生腐蚀造成的金属浓度变化，相应的组织反应和机体系统反应。研究方法有腐蚀破坏现象的直接观察、电化学腐蚀测量和非电化学研究等。动物试验研究 1材料的腐蚀行为 2

34、腐蚀与生物相容性的关系观察各种金属材料在动物体内的腐蚀破坏现象，90% 以上的奥氏体不锈钢矫形植入体均出现孔蚀和界面腐蚀现象。 钛基合金则未见明显的腐蚀破坏痕迹。各种电化学实验, 包括腐蚀电位-时间关系, 线性极化, 阳极极化曲线和交流阻抗测量等, 均在动物试验中被采用。动物试验研究 1材料的腐蚀行为 2腐蚀与生物相容性的关系采用模拟腐蚀产物的肌肉注射或者利用金属粉末增加矫形植入体与组织或体液的接触面积, 定量测定相邻组织和体液中金属浓度。与金属粉末相邻组织的金属离子含量有明显增加, 但与粉末数量之间并没有一定的比例关系, 相应形成的腐蚀产物主要是金属离子与一些血清蛋白质形成的金属有机复合体。

35、金属粉末中的镍和钴可随尿液排除, 特别是镍排泄的速度很快；相反铬因与红细胞相结合, 排泄速度缓慢, 在实验鼠的肝、肺、脾和肾中均表现出很高的浓度。腐蚀释放的金属离子的致癌作用在动物试验中也被证明, 将高钴、铬、镍的金属材料植入试验鼠, 发现恶性肿瘤的发生率略有升高, 而与骨质相连的恶性淋巴瘤则比较常见。与植入体松动相伴生的肿瘤,在钴基合金和钛合金植入体附近形成, 表明异体反应是致癌作用的主要机理。In vitro 研究动物试验研究人体试验研究发展方向McAuley 等报道了植入人体64 年后取出的固定低合金钢板, 发生了严重的腐蚀现象。研究表明目前植入生物医用金属材料的腐蚀问题主要是局部表面损

36、伤造成的破坏失效。人体试验研究 1材料的腐蚀行为 2腐蚀与生物相容性的关系 2. 1局部组织反应 2. 2全身反应不同报道关于不锈钢植入体发生腐蚀比例的数据差别很大, 从5%到100% , 平均则在50% 左右。 造成腐蚀比例如此大范围变化的原因： 一方面受到不同研究者采用的研究方法的影响, 如界定发生腐蚀标准的差异; 另一方面与研究的植入体形式密切相关,如组合部件比单一部件易出现缝隙腐蚀、微动腐蚀及其相互作用的腐蚀现象。不锈钢在人体内发生的主要腐蚀形式是缝隙腐蚀, 其次是晶间腐蚀和孔蚀, 微动腐蚀, 应力腐蚀开裂也有报道。总的来看, 植入体使用时间越久, 腐蚀程度越严重。 不锈钢内固定装置不

37、同部分的腐蚀行为也不尽相同, 在钉-板结合处发现有二种不同类型的腐蚀产物：一种是含铁的类血铁红蛋白颗粒、板块；另一种是含铁和磷的铬氧化物的微小板屑, 其恒定的Cr/ Fe 比较原始不锈钢显著升高。钴基合金的表面损伤现象很少见, 钛基合金的表面腐蚀损伤尚未见报道。但并不是说钴基合金 和 钛基合金完全具有生物惰性。在钛基合金植入体周围组织中仍可检出高浓度的钛离子, 虽然导致出现高的钛浓度的原因尚不清楚, 但是腐蚀、磨损及其交互作用仍然可能是主要原因。与钛基合金植入体相邻的组织中的金属颗粒具有原始钛基合金的成分, 而且沉积的腐蚀产物对植入体也没有加速腐蚀的作用。具有优化的强度配合和耐腐蚀性能的钴基合

38、金头-钛基合金柄构成的组合式植入关节, 取出后直接观察, 合金植入体显示出良好的耐腐蚀特征。显然这是对电池作用腐蚀理论的一个挑战, 钴基合金和钛基合金组成的电池能够发生钝化, 而不锈钢和钴基合金, 不锈钢和钛基合金则没有发生类似的钝化作用, 并且钴基合金、钛基合金的腐蚀程度都是非常高的。人体试验研究 1材料的腐蚀行为 2腐蚀与生物相容性的关系 2. 1局部组织反应 2. 2全身反应人体试验研究腐蚀释放的产物对生物相容性的作用, 主要集中在对人体生理机能的局部组织或人体全身系统的影响方面。人体试验研究 1材料的腐蚀行为 2腐蚀与生物相容性的关系 2. 1局部组织反应 2. 2全身反应在不锈钢内固

39、定装置周围,包括骨整合和纤维包囊作用区域在内的植入体附近的局部组织中, 形成的铁氧化物、含铁和磷的铬氧化物等腐蚀产物之间发现有巨细胞、异体巨细胞和数量多少不均的淋巴细胞。作为Co-Cr-Mo 合金植入体形成的主要腐蚀产物为富水合磷酸铬盐, 以尺寸小于5. 0 微米的颗粒存在于纤维化和坏死的组织中, 使骨和软组织的颜色变深发暗, 组织细胞和异体巨细胞增殖, 同时伴随有淋巴细胞和浆细胞渗透。钛基合金腐蚀形成的金属颗粒同样在巨噬细胞和成纤维细胞中被发现, 这些数量不等的颗粒存在于近邻植入体的稠密的胶原蛋白膜中, 而在异体巨细胞中则很少见。只是在发生钝化的区域观察到明显的腐蚀现象, 没有发现近邻组织中

40、的钛含量与炎症细胞、颗粒化组织, 以及大量坏死组织碎片有直接的关系。人体试验研究 1材料的腐蚀行为 2腐蚀与生物相容性的关系 2. 1局部组织反应 2. 2全身反应迄今, 金属腐蚀产物引起的新陈代谢、细胞毒性、免疫毒性或者致癌等作用尚未能完全探明原因, 在于对任何一位植入金属材料的患者, 因直接的全身系统反应和间接的金属毒性均能导致很多疾病的发生, 使这些疾病的产生一方面受到流行性疾病发生几率的影响, 另一方面受到患者植入金属材料前后取得实验数据可靠性的局限。 关于植入生物医用金属材料腐蚀产物的全身系统反应主要从4 个方面考虑：( 1) 是植入体的金属释放量；( 2) 是释放产物在体内转移的部

41、位和数量；( 3) 是释放产物的化学构成(例如, 无机沉淀物还是可溶性金属有机复合体)；( 4) 是释放产物的生理病理作用结果。 金属毒性主要源于金属元素的腐蚀溶解产物, 而并非是植入金属材料直接降解产物所致。对十位钴基合金全膝关节植入患者的临床实践发现, 植入后90 d 患者血清和血液中钴的含量增加了2 倍。同时对比进行的临床随访发现, 23 位全膝或全髋钴基合金关节植入患者在植入体并未发生松动的条件下, 有4 位患者的血清中钴的含量较术后152 个月时高2-50个单位 , 而实验研究的标准含量为0. 33个单位。与钴不同, 血清中铬的含量则没有发生变化。对钛基合金全关节植入患者的临床随访表

42、明, 21 位出现关节松动现象的患者血清中钛的浓度与等额对比组相比升高了近10 倍。而在血清和尿液中钛和铝的浓度均无显著差别, 钒则完全处在很低的浓度水平。In vitro 研究动物试验研究人体试验研究发展方向in vivo 和in vitro 研究之间的关系远远不能满足对生物医用金属材料腐蚀科学与防护技术研究的需要；新型金属材料的研制和表面改性技术的采用, 生物医用金属材料腐蚀研究又开辟了新的研究和发展空间。3.1 概述3.2 医用金属材料的特征与要求3.3 常用医用金属材料3.4 医用金属材料的腐蚀3.5 金属与合金表面涂层处理3.6 医用金属材料研究进展生物医用金属材料广泛的应用于人体，但是腐蚀问题是难以完全解决的问题；金属材料的表面改性能够有效的抑制有害金属离子的溶出、促进组织再生 和 加强材料与组织的结合；主要分为物理化学法、形态学法和生物或学法。物理化学法形态学法生物或学法物理化学法形态学法生物或学法热喷涂脉冲激光融覆离子溅射喷砂法电结晶法电化学法离子注入物理化学法形态学法生物或学法形态学法是在不改变金属基体表层的化学组成的情况下