1、生 物 材 料 导 论,郎 美 东博士 教授实验一楼 302Tel: 6425 3916 E-mail: April 2, 2013,齿科用金属材料,第四章医用金属材料,骨科用金属材料,(物化性能要求),医用金属材料的进步,1516世纪前,1826年1886年1912年1924年1926年1937年1938年1940年1951年1963年1971年,金作为齿科材料,以银和水银制得低熔点合金（68C）镀镍钢板作为螺丝和骨接板高碳素钒钢作为骨接板Co-Cr-W合金的生物相容性的调查SUS302(18%Cr-8%Ni不锈钢系)作为植入材Co-Cr-Mo合金作为植入材 钽的动物实验SUS316L(17
2、%Cr-14%Ni-2.5%Mo优质耐侵蚀材料)钛的动物实验Co-Cr-Mo合金/HDPE人工骨关节、钛合金的研究Co-Cr-Mo合金制多孔材料,医用金属材料与普通金属材料的价格差别,普通钢 4万日元/吨SUS316L不锈钢 110万日元/吨Co-Cr系合金 1,600万日元/吨纯钛 500万日元/吨,Ti6%Al4%V 1,000万日元/吨 钛合金,拉伸试验,应变,各种材料的抗张强度和应变的关系,钛合金,骨,不锈钢(SUS316L),HDPE,ZrO2陶瓷,Al2O3,抗张强度,（注：曲线下所占面积越大，材料的韧性就越高）,三类生物材料有关性质的比较,好,中,差,医用金属材料的主要化学组成和
3、性能,钛金属 钛合金 不锈钢 Co-Cr合金主要成份 Ti Ti Fe Co + Cr C 414 853 482 655延伸率(%) 18 10 40 8弹性模量 5倍 5倍 10倍 10倍(金属/骨),金属材料的特点： 优点：低毒性，高强度，高韧性，高耐久性（抗疲劳、耐摩耗） 缺点：无生物活性，高弹性模量,SUS316L不锈钢 Co-Cr合金Ti-6Al-4V,抗张强度杨氏模量韧性疲劳强度耐摩耗耐侵蚀性加工性生物相容性, ,代表性医用金属材料性质的比较,医用不锈钢,不锈钢按其组织相的特点可分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、沉淀硬化型不锈钢和奥氏体不锈钢，后者因具有良好的耐蚀性能和综合的力学性
4、能而得到广泛的临床应用。,奥氏体不锈钢无磁性，不能通过相变使合金强化，但借助于冷加工方法可明显提高其力学性能。这类不锈钢均含有足够量的铬以保证其良好的耐腐蚀能力。碳含量高会引起不锈钢的晶间腐蚀，故超低碳AISI316L和317L不锈钢得到了广泛的临床应用。常用的医用奥氏体不锈钢的组分与性能列入下表。,医用不锈钢,规格 种类 抗张强度(MPa) 延伸率(%) 硬度(HB),ASTM F-138 SUS316L 485 40 217,JIS H 4303 SUS316L 480 40 187 G4303(棒) 4308(线材),ISO 5832-1 A 515 40 B 480 40,不锈钢器件植
5、入体内，其合金元素会通过生理腐蚀和磨蚀而导致金属离子溶出，后者进入组织液会引起机体的一些不良反应。在一般情况下，人体组织只能容忍微量金属离子存在，因此必须严格控制医用不锈钢在体内的金属离子溶出。医用不锈钢的合金元素多，且有强的负电性，能够变化其电子价态，并与体内的有机和无机物质化合而形成复杂的化合物。,在铁、镍、铬、铝、钒等主要合金元素中，对机体组织影响比较清楚的是铁，它与血红细胞结合可形成铁血黄素。铬能与机体内的丝蛋白结合。机体过量富集镍有可能诱发肿瘤的形成。钒具有很强的细胞素性早已被试验所证实。通常医用不锈钢的小量腐蚀不会引起组织的明显变化，但量大时会引起水肿、感染、组织坏死或过敏反应。,
6、医用不锈钢的临床应用：在骨科常用来制作各种人工关节和骨折内固定器，如人工髋关节、膝关节、肩关节、肘关节、腕关节、踝关节与指关节；各种规格的截骨连接器、加压板、鹅头骨螺钉；各种规格的皮质骨与松质骨加压螺钉、脊椎钉、哈氏棒、鲁氏棒、人工椎体和颅骨板等，亦用于骨折修复、关节置换，脊椎矫形等。在口腔科医用不锈钢广泛应用于镶牙、矫形和牙根种植等各种器件的制造，如各种牙冠、牙桥、固定支架、卡环、基托、正畸丝、义齿、颔面修复件等。在心血管系统，医用不锈钢应用于制作各种植入电极、传感器的外壳与导线、人工心瓣膜、介入性治疗导丝与血管内支架等。此外，医用不锈钢还用于制作各种宫内避孕环、眼科缝线、固定环、人工眼导线
7、等。,医用钴基合金,医用钴基合金包括钴铬钼合金、钴铬钨镍合金、钴镍铬钼钨铁合金和MP35N钴镍合金及其烤瓷合金。它们的成分与力学性能分别列入下表中。,医用钴基合金的生物相容性与其在机体的腐蚀行为密切相关。合金植入体内后一般保持钝化状态。与不锈钢相比，钴基合金的钝化膜更稳定，耐蚀性更好。钴铬钼合金的点蚀倾向非常小，对应力腐蚀断裂也不敏感。当钴基合金因摩擦造成磨损时会很快由强烈的局部腐蚀转化为全面的均匀腐蚀，并显示出光亮的斑疤。用铸造钴铬钼合金制作的人工髋关节在人体内发生疲劳断裂的概率与医用不锈钢制作的相差无几，这主要是由于铸造组织的缺陷造成的。若采用锻造钴基合金则可大大降低腐蚀疲劳失效的概率。,
8、医用钴基合金,规格 Femax Cmax Simax Mnmax Pmax Smax W Cr Mo Ni Co,ASTM F-75 0.75 0.35 1.0 1.0 28.5 6 1 剩余量,规格 抗张强度(MPa) 延伸率(%),ASTM F-75 655 8,ASTM F-90 0.75 0.1 0.4 1.5 0.04 0.03 15 20 10 剩余量,ASTM F-75 860 30,医用钴基合金的耐磨性是所有医用金属材料中最好的，故钴基合金植入体内不会产生明显的组织反应。,医用钴基合金与医用不锈钢是医用金属材料在临床医学中应用最广泛的两类材料。相对不锈钢而言，医用钴基合金更适于
9、制造体内承载苛刻的长期植入件。在骨科医用钴基合金是用来制作各种人工关节、接骨板、骨钉、骨针、接骨丝等；在心血管系统用于制造人工心瓣膜、血管内支架等；在口腔科用于制作卡环、基托、舌杆、义齿和各种铸造冠、铸造嵌件、整铸固定桥和铸造颔垫等。此外还用于脊椎整形、颅骨修复等。,医用钛与钛合金,钛是一种化学活泼元素，极易与空气中的氧、氢、氮反应形成化合物，影响其性能。纯钛在低于882时为密排六方晶格的单相组织，不能通过热处理强化，但冷加工变形可使其强度有所提高。纯钛通常按杂质元素碳、铁、氧的含量多少分为4个级别，其性能有所差异。氧是一种强的相稳定剂，具有一定的固溶强化作用。随着氧含量增高，纯钛的强度有所提
10、高，而塑性有所降低。 钛合金按其组织结构分为相、目和十双相合金等3类。相钛合金在医学上应用较少。用于口腔矫正的相钛合金一般含11钼、4锡和6锆，室温下的组织为亚稳态的相，可通过热处理强化，具有较高的回弹性和低刚性。,规格 种类 Al V Femax Omax Cmax Nmax Hmax Ti 其它,ASTM F-136 6Al-4V 5.5-6.5 3.5-4.5 0.25 0.13 0.08 0.05 0.012 剩余量,JIS H 4607 60种 5.5-6.75 3.5-4.5 0.30 0.20 0.10 0.05 0.015 剩余量 0.5“钛合金板”,JIS H 4657 60
11、种 5.5-6.75 3.5-4.5 0.30 0.20 0.10 0.05 0.0125 剩余量 0.5“钛合金棒及锻造品”,ISO 5832-3 6Al-4V 5.5-6.75 3.5-4.5 0.30 0.20 0.08 0.05 0.015 剩余量,规格 抗张强度(MPa) 延伸率(%),ASTM F-136 896 10,JIS H 4607 825 8,ISO 5832-3 860 10,与其他医用金属材料相比，医用钛合金的主要性能特点是密度较低、弹性模量值小(约为其他医用金属材料的一半)，与人体硬组织的弹性模量比较匹配。 纯钛与钛合金表面能形成一层稳定的氧化膜，具有很强的耐腐蚀性
12、。在生理环境下，钛与钛合金的均匀腐蚀甚微，也不会发生点蚀、缝隙腐蚀与晶间腐蚀。当发生电偶腐蚀时，通常是与钛合金形成偶对的金属被腐蚀。但是，钛与钛合金的磨损与应力腐蚀较明显，腐蚀疲劳也较为复杂。 钛对人体毒性小，有利于其临床应用。,特点,由于医用钛与钛合金密度小、弹性模量接近于天然骨，故广泛用于制作各种人工关节、接骨板、骨螺钉与骨折固定针等。用纯钛和钛合金制作的牙根种植体、义齿、牙床、托环、牙桥与牙冠已广泛用于临床。用纯钛网作为骨头托架已用于颚骨再造手术。用微孔钛网可修复损坏的头盖骨和硬膜，能有效地保护脑髓液系统。用纯钛制作的人工心瓣膜与瓣笼已成功地得到应用，临床效果良好。,应用,医用钽、铌、锆
13、,钽是化学活性很高的元素，在生理环境中，甚至在缺氧条件下也能在其表面生长一层化学稳定的钝化膜，使钽具有优异的化学稳定性与耐蚀性。钽植入骨内能与新生骨直接结合，但在软组织中引起的组织反应要比钛与钴基合金强些。钽的氧化物基本上不被吸收，不呈毒性反应。具有半导体性质，可用作刺激脑和肌肉组织的电极。钽可加工成板、带、箔、丝，钽片用于修补颅盖骨，钽丝可用于缝合神经、肌腱和血管，钽板和钽带用于修补骨缺损，用钽丝编制网可修补肌肉组织。钽在介入性治疗中有广泛用途，在血管内支架表面复合钽涂层能有效地提高抗凝血性能。,铌与钽同属于元素周期表第V族元素，具有极相似的化学性质。纯铌与纯钽一样具有很强的耐蚀性、良好的加
14、工性能与生物相容性，用铌制成的骨髓内钉已应用于临床。 锆与钛同属于元素周期表第IV族元素，具有相似的组织结构与化学性质。致密金属锆与钛一样，具有很强的耐蚀性，良好的冷加工性能与生物相容性。金属锆可加工成板、带、线材。理论上讲锆可取代钛在临床上的应用，但因锆价格较贵，广泛应用受到限制。,医用贵金属及其合金,医用贵金属通常是指金、银和铂及其合金。贵金属具有化学稳定性和良好的耐腐蚀性与抗蠕变性能，对机体组织无毒、刺激性小、导电性优异。 金及其合金具有美丽的色泽和良好的生物相容性。用0.51.0m厚的纯金箔可做牙齿的全包覆牙套，但不耐磨。在口腔科得到广泛应用的不是纯金，而是金合金，并根据临床需要分为软
15、型铸造金合金(I型)、中等铸造金合金(型)、硬型铸造金合金(III型)和超硬型铸造金合金(型)等4种,金合金主要用于口腔科，在颅骨修复与植入电极，电子装置等方面也得到了临床应用。由于使用金及其合金费用高，使仿金合金的研制得到了加强。现已研制出的铜锌仿金合金，其熔点约950(与合金的熔点相当)，具有良好的加工性能与铸造性能，强度、耐蚀性与色泽均满足临床要求，可望获得应用。,银与银合金在临床医学中得到了广泛应用。纯银具有优异的导电性能，已用于植入型电极与电子装置。银汞合金(亦称汞齐合金)是龋齿充填材料。传统的汞齐合金是采用高银低铜的设计方案制备的，通常含有2(Sn8Hg)有害相，会严重地降低合金的
16、力学性能与耐腐蚀性。近10年来得到广泛应用的是按高铜低银设计方案制备的新型汞齐合金，不含2有害相，是比较理想的龋齿充填材料。,铂与铂合金具有优异的抗氧化性能与耐蚀性。铂不会直接氧化，是唯一能够抗氧化到熔点的金属。在室温下除“王水”外，铂几乎不与任何化学试剂反应。在铂中添加金、银、钯、铑等金属可使色泽美丽素雅，具有极佳的耐蚀性与加工性能。常用的铂合金有铂铱合金、铂金合金、铂银合金等。用铂与铂合金制造的微探针广泛应用于神经系统检测，其相关装置有神经修复仪、耳涡神经刺激装置，横隔膜神经刺激装置、视觉神经装置、小儿脊椎弯曲整形装置。铂或铂铱合金导线电极用于心脏起搏器。镀铂的钛阳极用于血液净化处理。含铂
17、植入电极可直接在动脉内测量血液成分与性能变化。用铂族金属作为放射性同位素源外壳植入人体肿瘤部位，可使全部辐射释放于恶性细胞的同时而不损伤或少损伤周围的健康细胞。,医用磁性材料选用生物相容性良好的磁性材料加工成磁性药物制剂，既可外用治病，又可内服用于靶向给药和磁性造影。我国医药工作者采用磁性材料贴于选定的穴位，可以治疗浅表性胃疼痛，风湿性关节炎，高血压以及慢性皮肤溃疡等疾病。20世纪70年代起，国内外开始磁性控释技术的研究，方法是将磁性铁粉与药物共同包裹于医用高分子载体中形成磁性微球，再在病灶区外磁场作用下，让磁性微球定向运动并富集在病灶靶区，所含药物可以定向释放作用于靶细胞，这种通过磁场物理因
18、素把药物导向到靶位的给药方法叫物理靶向给药。所用的药剂形式有磁性微球注射剂、磁性微球胶囊剂和片剂。这类先进的导弹疗法可用于恶性肿瘤、糖尿病的治疗。在疾病诊断中，还可以磁性微球作造影剂。,医用形状记忆合金,TiNi合金是目前医学上使用的唯一的记忆合金。 TiNi合金在医学上应用较广的有口腔牙齿矫形丝以及外科中各种矫形棒、骨连接器、血管夹、凝血滤器等。近年来血管扩张元件等应用也见报道。 牙齿矫形丝是利用TiNi合金相变伪弹性特点，使合金丝处理成超弹性丝。由于应力诱发马氏体相变使弹性模量成非线形变化，当应变增大时，矫正力却增加不多。因此佩带矫正丝时，即使产生很大的变形也能保持适宜的矫正力，不仅操作方
19、便，疗效好，而且可减轻患者的不适感。TiNi合金的超弹性功能使应变高达10仍不会发生塑性变形。,脊柱侧弯矫形用哈氏棒通常是用不锈钢制成，但由于植入人体后以及在随后使用中，矫正力明显下降，甚至在半个月后下降55，故通常必需进行再次手术以调整矫正力，使患者在精神上、肉体上承受较大痛苦。改用形状记忆合金棒，只需一次安放固定手术。一般是将TiNi合金棒记忆处理成直棒，然后在Ms以下温度(通常在冰水)弯成与人体畸形脊柱相似的形状(弯曲应变小于8)，立即安放于人体内并加以固定。手术后通过体外加热使温度高于体温510，这时TiNi合金棒逐渐回复到高温相状态，产生足够的矫正力。其它如骨折、骨裂等所需要的固定钉
20、或固定板都是将TiNi合金的Af温度定在体温以下。先将合金板(或合金钉等)按所需形状记忆处理定形，在手术时，将定形板在冰水中(Ms)变形成便于手术安装的形状，植入所需部位固定，靠体温回复固定板形状。用记忆合金固定骨折等患处，患者痛苦少，功能恢复快，是非常行之有效的方法。 （九院戴克戎院士）,多孔医用金属,形态固定：morphological fixation;生物固定：biological fixation;骨键合：bone bonding; 也称生物活性结合(bioactive fixation),电位(Ag/AgCl) (mV),电流密度(A/cm2),有关金属材料的耐蚀性, in viv
21、o的条件比 in vitro中更苛刻 Ti系材料的耐侵蚀性 较好, Ti系材料在 in vitro 环境下基本无析出，但家兔中植入1年后， 埋入物的周围组织有萎缩现象,(PDE的磨损粉会增加局部的活性氧素),Co合金(微球425-710m)埋入体内后析出的离子的体内分布,S.A. Brown, et.al., J. Biomed. Mater. Res., 27(1993)1007,人工关节,H+ Mn+,容易进行离子交换,提高医用金属材料性能的对策表面处理,表面处理的功效：提高耐侵蚀性提高耐磨损性赋予金属生物活性降低生物毒性,形成表面膜时注意点：,膜厚度、膜与基材的结合力、对基材无进一步损害,
