医用金属材料.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2,#,医用金属材料,1,2,目录,医用金属材料的研究和发展,6,目前医用金属材料的主要问题,5,医用金属材料应用中的理论基础,1,人体内化学环境简述,1,人体内腐蚀类型,2,医用金属材料需满足的条件,3,常见医用金属材料及其特点,3,医用不锈钢,1,医用钴基合金,2,医用钛合金,3,医用,镁,合金,4,医用贵金属和钽、铌、锆等金属,5,医用金属材料表面改性和生物,镀膜,4,医用金属材料的发展史,2,2,2025/4/29 周二,由体液构成,01,变化多样,02,有电化学腐蚀,03,人体内化学环境简述,1.1,人体体液是质量分数约为,1,的,NaCl,、少量其他盐类及有机化合物的充气溶液，人体与温暖的海水相似。,在人体的不同部位，甚至同一部位的不同时刻，人体组织内体液的成分不同。,电化学腐蚀的基本规律对人体环境中的植入材料的腐蚀完全使用。,3,2025/4/29 周二,人体内腐蚀类型,1.2,2,4,1,3,均匀腐蚀,点腐蚀,电偶腐蚀,缝隙腐蚀,均匀腐蚀是指接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象，大面积发生，以金属离子形式大量地进入人体组织，影响生物相容性，增加病人的痛苦甚至危及生命。,点腐蚀是一种腐蚀几种在金属（合金）表面数十微米范围内且向纵深发展的腐蚀形式。,形成条件：钝化膜，特殊离子，电位差。,电偶腐蚀是由于腐蚀电位不同，造成同一介质中异种金属接触处的局部腐蚀。在多个零件构成的植入装置中，选用的材料不同就容易产生电偶腐蚀。,缝隙腐蚀是指连接处出现狭窄的缝隙，电解质溶液进入，使缝内金属与缝外金属构成短路原电池，并在缝隙内发生强烈局部腐蚀。多零件植入装置中，大约有,50,遭受缝隙腐蚀。,阳极,阴极,电偶腐蚀,点腐蚀,4,2025/4/29 周二,人体内腐蚀类型,1.2,磨损腐蚀是由于植入期间之间反复的相对的滑动所造成的表面磨损与腐蚀环境的综合作用结果。,磨损腐蚀造成点蚀坑或颗粒形状的斑疤。,腐蚀疲劳是指金属材料在交变应力的共同作用下产生的断裂现象。腐蚀疲劳裂纹总是从植入器件表面发生，所以可以对植入器件进行喷丸处理提高疲劳寿命。,晶间腐蚀,主要由于晶粒表面和内部间化学成分的差异以及晶界杂质或内应力的存在，破坏晶粒间的结合，大大降低金属的机械强度，力学性能恶化,不能经受敲击。,常见应力腐蚀是零件在应力和腐蚀介质作用下，,表面,氧化膜被腐蚀,破坏的和未破坏的表面分别形成阳极和阴极,阳极处金属成为离子而被溶解，沿金属晶粒边界,甚至,穿过晶粒,发展,。,应力腐蚀,晶间腐蚀,2,4,1,3,磨损腐蚀,腐蚀疲劳,晶间腐蚀,应力腐蚀,5,2025/4/29 周二,01,04,03,医用金属材料需满足的条件,1.3,05,02,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,良好的物理、化学稳定性：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。,6,2025/4/29 周二,医用金属材料需满足的条件,1.3,06,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（抗凝血性好）、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。,7,2025/4/29 周二,医用金属材料的发展史,2,15,46年，纯金薄片用于修复颅骨缺损,；,1588年，发现有用黄金版用于颚骨修复,；,1775年，有记载用金属固定体内骨折,；,1800年，大量应用金属板固定骨折的报道,；,1809年，用黄金制成种植牙,；,1880年，银用于膝盖骨缝合,；,1896年，镀镍钢钉用于骨折治疗,；,20世纪30年代，钴铬合金，不锈钢、钛及合金得到广泛应用,；,20世纪70年代，Ni-Ti形状记忆合金，金属表面涂层的应用,；,近30年，发展较慢，但在临床仍占据重要地位,。,01,8,2025/4/29 周二,03,医用金属材料的发展史,2,02,在生物医学材料中，金属材料应用最早，有数百年的历史。唐代就有用银汞合金（主要成分：汞、银、铜、锡、锌）来补牙,最先广泛用于临床治疗的金、银、铂等贵金属，具有良好的稳定性和加工性能，但因其价格较贵，广泛应用受到限制，现金在牙科、针灸、体内植入及医用生物传感器等方面仍有广泛应用。,9,2025/4/29 周二,不锈钢是最早的人体植入材料，医用不锈钢具有良好的耐腐蚀性能和综合力学性能,且加工简便,比较廉价，是目前生物医用金属材料中应用最多、最广的一类材料。医用不锈钢主要应用,于,骨骼系统的置换和修复方面,此外在齿科、心脏外科、心血管植入支架等方面也得到应用。奥氏体不锈钢,特别是316和316L不锈钢,具有比其他不锈钢更好的抗蚀性能,316L不锈钢是制作医用人工关节常用金属材料,主要用作关节柄和关节头。,”,“,医用不锈钢,3.1,医用不锈钢用于生物体内，存在生物相容性及相关问题,主要涉及到不锈钢植入生物体后金属离子溶出所引起的组织反应等,特别是不锈钢中镍离子析出诱发的严重病变。316L不锈钢植入人体后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,并且会因摩擦磨损等原因释放出Ni,2+,Cr,3+,和Cr,5+,从而引起假体松动,最终导致植入体失效。对316L不锈钢而言,提高耐蚀性是关键。钼的加入提高了不锈钢在盐水中的抗蚀性能。,”,“,化学成分%,C0.032,Si1.0,Mn2.00,P0.045,S0.030,Ni:10.0-14.0,Cr:16.0-18.0,Mo:2.0-3.0,316L不锈钢,10,2025/4/29 周二,医用钴基合金也是医疗中常用的医用金属材料,相对不锈钢而言,医用钴基合金更适合于制造体内承载条件苛刻的长期植入件。但是由于钴基合金价格较贵,并且合金中的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。,”,“,钴基合金通常指Co-Cr合金,有Co-Cr-Mo和Co-Ni-Cr-Mo合金2种基本牌号。锻造加工的Co-Ni-Cr-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4种可在外科植入中使用的钴基合金,其中锻造Co-Cr-Mo合金和锻造Co-Ni-Cr-Mo合金已广泛用于植入体制造。在人工关节方面,ISO允许使用制作人工关节部件的钴基合金已达到6种,这充分说明钴基合金在人工关节方面有着广泛的应用。,”,“,钴基合金人工关节铸件,医用钴基合金,3.2,11,2025/4/29 周二,医用钛合金,3.3,钛合金产品的物理、化学性质十分稳定，不会被人体吸收，与体液和药品接触也不会发生化学反应，也不会电离，也不与人体的肌肉骨骼发生反应，因而被人们称为“亲生物金属”。因为钛具有“亲生物”性，钛在人体内，能抵抗分泌物的腐蚀且无毒，对任何杀菌方法都适应。,”,“,采用钛及钛合金制造的人工关节、接骨板和螺钉现已广泛用于临床，还用于髋关节（包括股骨头）、膝关节、肘关节、掌指关节、指间关节、下頜骨、人造椎体（脊柱矫形器）、心脏起搏器外壳、人工心脏（心脏瓣膜）、人工种植牙、以及钛网在头盖骨整形等方面。,”,“,主要成分：,Al：5.5%-6.75%，,V：3.5%-4.5%，,余量为Ti。,Ti-6Al-4V合金,12,2025/4/29 周二,医用钛合金,3.3,医用钛合金的综合力学性能与工艺性能有了显著的改进和提高,并去掉了对人体有毒性的V元素。新型（+）钛合金Ti-15Zr系和Ti-15Sn系合金则同时去掉了V和Al。近年来开发出的一些新型钛合金，主要是型合金,则都注重减少了对人体有一定危害的元素，有效地改善了钛合金的生物相容性。,”,“,与其他医用金属材料相比,钛合金最显著性能特点是密度较小、弹性模量值较低，约为其他医用金属材料的一半,密度接近人体硬组织,因此在骨科领域应用较广。Ti-6Al-4V合金的性能优于纯钛,Ti-6Al-4V合金的生物相容性比不锈钢和CoCrMo合金都要强,耐蚀性好,其弹性模量与骨骼接近,且密度轻(4.51g/cm3),可用于人工关节及骨科内固定器的制造，因此作为人体植入材料得到了广泛应用。,”,“,钛合金髋关节,13,2025/4/29 周二,镍钛合金是一种形状记忆合金，形状记忆合金是能将自身的塑性变形在某一特定温度下自动恢复为原始形状的特种合金。它的伸缩率在20%以上，疲劳寿命达1,10,7,，阻尼特性比普通的弹簧高10倍，其耐腐蚀性优于目前最好的医用不锈钢，,医用镍钛形状记忆金的形状记忆恢复温度为36士2,符合人体温度，在临床上表现出不锈钢和钛合金相当的生物相容性。,”,“,医用,钛合金,镍钛形状记忆合金,3.3,但镍钛记忆合金也有其不足之处，由于镍钛记忆合金中含有大量的镍元素,如果表面处理不当,则其中的镍离子可能向周围组织扩散渗透，造成人体过敏反应。,自镍钛形状记忆合金应用于医学以来,除在整形外科和口腔科一方面的应用较多外,近年来越来越多地应用于心血管病的治疗,特别是支架介入治疗的日益盛行,各种各样的记忆合金支架开始应用于冠心病的治疗。,”,“,镍钛合金超弹丝,14,2025/4/29 周二,镁合金作为可降解医用材料被誉为第三代生物医用材料。镁是一种对人体温和的元素，具有很好的可吸收性和生物相容性，在骨科植入中，具有与骨接近的密度和弹性模量。镁合金还具有可控的腐蚀速率，在心血管植入和骨修复上有很好的应用前景。,”,“,医用,镁合金,3.4,目前研究的镁合金主要包括WE43、AZ31、Mg-Ca、MgZnCa等。,镁合金,化学性质较活泼，,主要,问题在于,腐蚀速率过快，机械强度不够等问题。,”,“,镁合金,15,2025/4/29 周二,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。,”,“,医用贵金属,、铂族,金属,及钽,3.5,铂族金属是重要的镶牙材料，钯是形变或铸造镶牙合金广泛采用的合金元素。铂族催化剂对氧化作用具有极好的催化活性，并有良好的抗蚀性和导电率，是燃料电池最理想的催化剂，可用作人工心脏的能源。,”,“,金合金内冠烤瓷牙,16,2025/4/29 周二,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现毒性反应,钽可与其他金属结合使用而不破坏其表面的氧化膜。在临床上,钽也表现出良好的生物相容性。与不锈钢相比，钽有很高的抗缺口裂纹扩展能力。在相同的交变载荷下，钽制髓内针的回转刚性比,相应,钢材高60倍。,”,“,医用贵金属,、铂族,金属,及钽,3.5,钽可作人工骨、矫形器件、钉、缝针和缝线。尤其是用钽丝缝合修复肌腱、神经和血管更显优越。钽片或箔可修复颅骨、腹壁。五氯化钽与少量三氧化铁混合物还可以加速血液的凝结。,”,“,钽丝,17,2025/4/29 周二,医用金属材料表面改性和生物镀膜,4,原因,生物医用材料虽然兼顾了材料的力学性能和生物化学性能,但是很难同时具有良好的体相容性和界面相容性。生物医用材料直接接触人体组织,因此其表面性能非常重要。为了使植入体内的材料充分发挥其功能,最好将其表面加以适当的处理,提高表面耐蚀性和耐磨性或改善其生物学特性从而减小其生物学毒性,。,方法,目前应用于生物医用材料的表面改性技术,主要是通过离子注入或电化学方法在基体表面制备生物惰性薄膜,以提高植入物的抗腐蚀性和血液相容性。其中研究较多的是类金刚石薄膜、碳化硅薄膜、高聚物涂层、纤维涂层、仿生涂层等。例如在不锈钢心血管植入支架的表面镀一层聚合物膜或覆盖一层有抗凝基因的内皮细胞膜等来改善支架的生物学特性,能有效降低而栓形成,提高支架的血液相容性。,18,2025/4/29 周二,医用金属材料表面改性和生物镀膜,4,发展,现在已有许多学者开始重视生物相容性的分子设计学研究,并尝试应用分子设计学方法和仿生学方法,开发生物相容性更好的新型生物医学金属材料。,目前生物医用材料正在向多种材料复合、性能互补的方向发展,表面改性技术在生物材料上的应用有效地提高了医用金属材料的表面质量,改善了植入体的植入效果,。,19,2025/4/29 周二,目前医用金属材料的主要问题,5,01,形成血栓,人体血液内,由于血小板、细胞和蛋白质带有负电荷,而金属析出离子一般带有正电荷,因此血液中大量金属离子的析出还易于形成血栓。,02,致敏,在铁、铬、镍、钼、钴等必需的微量元素中,镍、钴、铬离子对人体都有致敏反应。钢中的铬元素当呈现六价态时,对人体也有较大的毒性和过敏倾向,。,致癌,镍离子的富集对人体有很大毒性,有过敏反应,可能诱导有机体突变以及发生癌变。,03,医用金属材料中均含有较多的合金化元素,它们在人体中所允许的浓度非常低，这些合金化元素多呈强的负电性,能够变化其电子价态并与生物体内的有机物或无机物质化合形成复杂的化合物，有些含有强烈的毒性。当金属材料植入人体以后,由于腐蚀、磨损等导致金属离子溶出,金属离子进入组织液里会引发一些生物反应,如组织反应、血液反应和全身反应,表现为水肿、血栓栓塞、感染及肿瘤等现象。,20,2025/4/29 周二,医用金属材料的研究和发展,6,01,医用不锈钢仍是生物植入材料的主体，研究开发高耐蚀性、高耐磨性、高疲劳强度和高韧性生体合金依然重要，由于对高氮不锈钢的深入研究，低镍和无镍Cr-Mn-N型奥氏体不锈钢的研究又引起人们的兴趣，一些研究者提出把高氮含量的Cr-Mn-N型奧氏体不锈钢应用于生物医学，他们指出这种不锈钢具有良好的抗腐蚀能力，特别是抗点蚀和晶间腐蚀，而且具有较高的耐磨性，重要的是钢中没有镍元素，从而可避免镍元素在人,体,内析出造成的致敏性及其它组织反应。,21,2025/4/29 周二,医用金属材料的研究和发展,6,02,生物医用钛合金进步的研究动向是：深入研究合金元素对钛合金的组织和性能的影响，改善其综合力学性能和工艺性能；研究钛合金体内外生物学相容性试验与临床试验的相关性，为新型医用钛合金的发展提供依据，另外还可运用新工艺和新技术开展表面改性研究，发展梯度功能材料。,22,2025/4/29 周二,医用金属材料的研究和发展,6,03,自镍钛形状记忆合金应用于医学以来，除在整形外科和囗腔科方面的应用较多外，近年来越来越多地应用于心血管病的治疗，特别是支架介入治疗的日益盛行，各种各样的记忆合金支架开始应用于冠心病的治疗，目前，医用多孔镍钛形状记忆合金的研究受到了国际上的极大关注，多孔镍钛记忆合金共有形状记忆效应、伪弹性，生物相容性和高的力学性能，其多孔结构使植入物的固定更可靠，有利于人体体液营养成分的传输，可大大缩短病人的康复期，具有特殊性能的镍记忆合金表现出较好的植入效果，必将具有更广阔的应用前景。,23,2025/4/29 周二,参,考,文,献,1,百度百科,.,生物医用金属材料,.,2,百度百科,.,医用钛合金,.,3,任伊宾，杨柯，梁勇,.,新型医用生物金属材料的研究和发展,.,24,2025/4/29 周二,