生物医用材料课件-1.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,*,1,生物医用材料,主讲人：张立芬,Email:,lfzhang,2,生物医用材料,Questions,：,你认为什么是生物医用材料（可简称为生物材料），能否举例说明？,你感兴趣的生物材料有哪些？,3,生物医用材料,人工脏器：,4,氧化铝,：,18002000,元,。,氧化锆,：,300012000,元,。,镍铬合金,：,400600,元,钛合金,：,600800,元,纯钛,：,10001200,元,贵金属,：,14002000,元,牙科：,生物医用材料,5,生物医用材料,6,固体硅橡胶,液体硅橡胶,人工乳房假体,外科：,生物医用材料,7,注射胶原蛋白,生物医用材料,8,导尿管,气管导管,胃肠减压管,-,双囊三腔管,用于门静脉高压引起的食管和胃底静脉曲张破裂出血时止血用。,生物医用材料,9,全氟碳化合物,多聚血红蛋白,人工血液：,生物医用材料,10,可吸收螺钉,PLLA,可吸收骨板,PLLA,骨科：,生物医用材料,11,软骨,人工关节,医用粘合剂,生物医用材料,12,电子耳蜗：,生物医用材料,13,生物医用材料,14,生物医用材料,生物材料,是一门正在蓬勃发展的交叉性学科。,材料科学家和临床医学家在对生物材料的认识和为之努力的理念（目的、效益等）上，还有待逐步获得共识。,生物材料的发展对临床医学的贡献是不言而喻的，同时也逐步丰富了材料科学的内容。,15,生物医用材料,生物医用材料,课程将总结国内外近年来在生物材料学方面有关材料及其医学,基础研究,、,应用技术研究,、,产业化和临床实践,的资料和经验，并且反应我国现代生物材料学的成果及其进展。,3,临床,2,技术,1,基础,16,生物医用材料,实用生物医用材料学,顾其胜等,上海科学技术出版社,2005,年,01,月；,2.,生物医用材料导论,李世普等,武汉理工大学出版社,1900,年,01,月；,3.,生物材料科学医用材料导论,(,美,),拉特纳等,清华大学出版,2006,年,12,月；,4.,生物医用材料,俞耀庭等,天津大学出版社,2000,年,12,月；,5.,生物材料,(,美,)J.S.Temenoff,等,科学出版社,2009,年,06,月。,参考书籍：,17,第,1,章,绪论,第,2,章,生物医用金属材料,第,3,章,生物医用无机材料,第,4,章,生物医用高分子材料,第,5,章,生物医用复合材料,第,6,章,生物医用材料相关技术,第,7,章,生物医用材料在临床上的实例,课程大纲,18,第,1,章 绪论,生物医用材料,是直接或间接与人体组织接触的材料。,以人为本,根据材料的应用对象设计,生物学评价,模拟人体环境实验,售后服务,19,1.1,概述,1.2,材料性质与设计,1.3,人体结构、生理及病理,1.4,生物医用材料的最新进展,第,1,章 绪论,20,1.1,概述,药学,诊断学,生物学,遗传学,工程学,机械学,临床医学,材料学,信息学,环境学,单一材料,复合材料,智能材料,仿生材料,生物材料,植入、代替、整形外科,植入、代替、整形外科,支架、组织工程,药物缓释、载体,纳米技术、人工芯片,人工器官、基质工程,21,1.1,概述,Bruck“,源自合成或天然资源，与组织、血液和体液接触的，用于,修复、诊断、治疗和储藏,而对机体及其成分无不良影响的材料”；,Black “,用于,取代、修复,活组织的天然或人造材料”；,日本学者“以,人工脏器、医疗用具,等为中心的材料”；,最近，第六届国际生物材料大会“一种,植入,生命系统内或与生命系统相结合,而设计的物质，它与生命体,不起药理反应。”,我国师昌诸院士：,“,用以和生物系统结合，以诊断、治疗或替换机体中的组织、器官或增进其功能的材料,”,。,生物医用材料的定义：,22,3500,年前，古埃及人利用,棉纤维、马鬃,缝合伤口；,印第安人使用,木片,修补受伤的颅骨。,发展历史,：,2500,年前，中国和埃及的墓葬中就有,假牙、假鼻和假耳,。,1588,年，人们用,黄金板,修复颚骨；,1775,年，就有用,金属,固定体内骨折的记载；,1851,年，发明天然橡胶的硫化方法后，采用,硬胶木,制作人工牙托的颚骨,。,1.1,概述,23,1.1,概述,图,1-1.,国际医疗器械产值变化图。,1990,1995,2000,2005,750,510,1200,750,1700,1310,3275,图,1-2.1999,年世界医疗器械产值分配图（亿美元）。,美国,欧盟,日本,中国,国际,国内外生物材料的产业化：,24,1.1,概述,国内,图,1-3.,国内医疗器械产值变化图。,1985 1990 1995 2000 2005,25,1.1,概述,病例数,（万例）,需求量,（万个,/,年）,实用量,（万个,/,年）,国产率,（,%,）,进口价,（万元）（人民币）,人工心脏瓣膜,（,250,）,25,1.5,30,1.52,起搏器,（,600,）,40,2,5,23,骨修复材料,（,300,）,200,20,60,0.10.2,人工关节,（,1500,）,300,3,60,2.5,人工晶体,（,2000,）,400,40,40,0.080.15,血管支架,（,2000,）,100,2,10,2,人工血管,（,150,）,100,30,20,2,肾透析器,（,100,）,50,10,20,表,1-1.,体内植入生物制品的国内市场需求。,26,按材料来源分,人体自身组织：,同种器官与组织：,异种同类器官与组织：,天然生物材料：,合成材料,生物医用材料的类型与应用,：,1.1,概述,医用材料可按以下几个方面分类：,按材料来源分类；按材料的性质分类；按材料在人体应用部位的分类；按材料使用要求的分类；按材料与人体接触时间分类,。,27,按材料应用部位,分,硬组织材料：,软组织材料：,心血管材料：,血液代用材料：,分类、过滤、透析膜材料,1.1,概述,28,按材料使用要求分,非植入性材料与制品：,注射器等,植入性材料与制品：,血液接触性材料和制品：,心脏反搏气囊,降解和吸收性材料和制品：,1.1,概述,29,按材料与人体接触时间分,短期接触：,24h,A,类材料,长期接触：,24h t 30d,C,类材料,1.1,概述,30,按材料组成和性质分,生物医用金属材料：不锈钢、钴基合金、钛及其合金,生物医用高分子材料：有机、天然及天然衍生材料,生物医用无机材料：羟基磷灰石、,磷酸三钙等,生物医用复合材料：举例子最熟悉的是什么？对分子式不要求,1.1,概述,31,1.1,概述,年份,高分子,金属合金,陶瓷,复合材料,天然材料,1992,45%,45%,3%,1%,6%,2000,47%,30%,10%,3%,10%,表,1-2.,各种生物材料产值占医疗器械总产值的百分数。,32,1.2,材料性质与设计,生物医用材料与生物体间的相互作用：,生理环境 生物医用材料,（一）材料反应,材料的物理变化：,大小、形状、热电光性能的变化，如陶瓷；,材料的化学变化：,化学组成、微观结构、晶粒尺寸及耐腐蚀；,材料力学性能的变化：,被降解或磨损使力学性能变化，如胶原蛋白。,33,组织坏死，产生肉芽肿或肿瘤,轻微炎症,严重炎症,炎症,纤维被膜,过度纤维变性,细胞消化、降解,细胞,化学,物理,力学,工艺,生物材料,机体,1.2,材料性质与设计,（二）,生物反应,-,宿主反应,（,宿主反应是什么,/,组织反应、血液反应、免疫反应与全身反应,）,（组织反应）,炎症反应、,细胞粘附、,细胞增殖、,形成伪内膜、,细胞质转变,34,1.2,材料性质与设计,（血液反应）,血小板血栓、,凝血系统的激活、,纤溶系统的激活、,溶血反应、,一次性包细胞减少,修复治疗,血小板血栓,血小板黏附聚集,因子,XII,激活,凝血系统激活,材料表面,蛋白吸附,血 栓,栓子流动,栓 塞,35,1.2,材料性质与设计,（免疫反应）,补体系统的激活、,抗原,-,抗体反应、,免疫细胞的激活、,（全身反应）,全身急性或慢性毒性反应、,诱发分子突变致癌,36,生物医用材料（,体内植入物,）的性能要求：,物理性能要求：,溶出物及可渗出物 机械物理性能,成型加工性能,灭菌性能,材料的生物学性能：,生物稳定性 生物相容性,1.2,材料性质与设计,37,生物医用材料必须满足的基本要求：,(1),无急性毒性、致敏、致炎、致癌和其他不良反应；,(2),良好耐腐蚀性、相应的,生物力学性能及加工性能,；,(3),良好组织相容性、血液适应性和适宜的耐生物降解性,。,1.2,材料性质与设计,38,生物医用材料的设计：,材料设计的目标：,如 分子、,微米、,毫米、,可见水平上,生物医用材料,的设计,生物医用材料设计：,满足生物功能、性能、制备加工以及消毒等要求。,如：心血管装置、骨科植入物、口腔科植入物、软组织植入物,1.2,材料性质与设计,39,正常人体结构：,细胞,组织,器,官,Text,系,统,人,体,1.3,人体结构、生理与病理,40,肌腱：,联系肌肉与骨骼作用,皮肤：,表皮、真皮及皮下组织,牙：,牙釉质、牙本质及牙骨质,软骨：,透明、弹性及纤维软骨,骨：,无机物与有机物组成的复合材料,细胞与细胞间质：,细胞核,血管：,动脉与静脉,生物医用材料研究涉及的人体结构部分,1.3,人体结构、生理与病理,41,调节机制,生物医用材料,人体,人的机体组织：,由含有聚糖基质及庞大纤维网状结构组成，浸泡在含大量离子的体液中，是一种生物活性的复合材料。,植入,同化与异化作用,神经调节、体液调节以及器官、组织细胞的自身调节。,正常生理状态：,1.3,人体结构、生理与病理,42,修复和再生,加入外源性,物质,神经与体,液调节,疾病,健康,病理状态：,1.3,人体结构、生理与病理,43,仿生环境：,生物医用材料,临床应用,复杂而又严格的体外、体内实验,人体环境中各种物质的组成、相对含量以及其物理和化学性质,1.3,人体结构、生理与病理,44,组织工程支架,药物控释材料,医用仿生材料,智能材料,医用纳米材料,材料的发展：学会举例子,响应性凝胶,形状记忆合金,支架材料、生长因子,生物可降解、药物载体,基质与器官,纳米无机材料,纳米高分子材料,1.4,生物医用材料的最新进展,45,技术的发展：,界面技术：,种植内皮细胞、磷脂基团表面等，容易操作实现的,工艺技术：,提纯技术等,检测技术：,材料本体、表面性能及浸出液成分分析等,工程技术：,纳米技术与仿生技术等,1.4,生物医用材料的最新进展,46,生物医用金属材料,牙弓丝,齿科合金,齿科合金,血管支架,食道带膜支架,胆道支架,尿道支架,漏斗胸矫形器,47,2.1,医用金属材料概述,2.2,镍钛形状记忆合金,2.3,金属腐蚀和无菌性松动,生物医用金属材料,48,2.1,医用金属材料概述,根据抗腐蚀性排列顺序不错,医用金属,材料,贵金属及,钽铌锆,钛和钛基,合金,不锈钢,钴基合金,镍钛形状,记忆合金,49,2.1,医用金属材料概述,医用不锈钢,不 锈 钢：,一般指成分中的含铬量大于,10.5%,的一系列铁基合,金总称。抗腐蚀原理：,Cr,形成氧化膜,医用不锈钢,：是医疗设备及用具上用的材料和可植入人体内,支撑组织的植入材料。,按构建的,组织相,马氏体不锈钢,铁素体不锈钢,奥氏体不锈钢,+,双相不锈钢,沉淀硬化不锈钢,分 类：,50,2.1,医用金属材料概述,（一）不锈钢的种类与成分,不锈钢：铁,+,铬、镍、硅、锰、钛、,碳,、硫和磷。,钢强度钢韧性,钢强度与硬度,钢铸造性能,防止晶间腐蚀,51,2.1,医用金属材料概述,马氏体不锈钢：,是一类通过热处理（淬火、回火）对其性能进行调节的不锈钢。含铬,12-17%,（低铬），晶体结构为体心四方，具有铁磁性。,特点,：,耐腐蚀性、高硬度、良好的力学性能。如外科和骨科的手术器械。,铁素体不锈钢：,也称高铬不锈钢（含铬,11-30%,），体心立方，铁磁性。,特点,：,硬度与强度稍低，且不能通过热处理强化，而且对晶间腐蚀较敏感，多用于医疗设备。,奥氏体不锈钢：,也称铬镍不锈钢，含铬,10-26%,，含镍,6-22%,。,临床有两类：,含铬,18%,和镍,8%,的,18-8,铬镍不锈钢（含碳,0.2-0.3%,）和低碳,316,（碳,0.08%,）及超低碳,316L(,碳,0.03%,),不锈钢。晶体结构为面心立方，无铁磁性。,特点,：,不能通过热处理强化，但可采用冷加工来提高。良好的常温及低温塑韧性、易成形性和耐腐蚀性。如口腔：,18-8,铬镍不锈钢；外科种植：,316,和,316L,。,52,铁素体（体心立方）奥氏体（面心立方）马氏体（体心四方）,图,2-1,不锈钢的晶体结构,2.1,医用金属材料概述,53,2.1,医用金属材料概述,双相不锈钢：,是指奥氏体和铁素体都独立存在而构成的不锈钢。,特点,：,兼有奥氏体和铁素体两种性能。由于其使用温度受限，很少应用。,沉淀硬化不锈钢：是一类含沉淀硬化元素，如,Cu,、,Al,、,Ti,、的铁铬镍合金，通过热处理来强化的不锈钢。,特点,：,其耐腐蚀性与钴基合金相当，力学性能良好，有替代钴基合金制作人工关节等承载植入体的潜力。,54,2.1,医用金属材料概述,（二）不锈钢性能及生物相容性,品种,极限拉伸强度（,MPa,）,屈服强度（,MPa,）,延伸率（,%,）,洛氏硬度（,HRB,）,18-8,不锈钢,525,395,29.5,131-156,316,不锈钢,退火态,515,205,40,95,冷加工,860,690,12,300-350,316L,不锈钢,退火态,505,195,40,95,冷加工,860,690,12,提高不锈钢性能,：,通过热处理、冷加工等制造工艺和加工工艺来实施。,不锈钢生物相容性,：,12%,铬含量，,低碳含量,及加工技术来提高。,减少晶界碳化物的形成，而此正式植入体内后晶粒间腐蚀的多发部位。,55,2.1,医用金属材料概述,（三）不锈钢的临床应用,口腔医学的应用,：,铸造,18-8,不锈钢具有良好抗腐蚀性、力学性能、延伸率、不易折断，硬度又适中，常用于口腔齿科正畸，如：固位用卡环等。,箭头卡环的制作过程,-,56,2.1,医用金属材料概述,57,2.1,医用金属材料概述,骨科植入物的应用,：,人工髋关节,髋关节,：,人体最大、最稳定关节之一，由股骨头、髋臼和股骨颈形成关节。,髋关节置换手术,：,用人造髋关节置换所有或部分髋关节以重建关节运动功能的一种修复手术。,2010,年,5,月，刘欢结束了在北京的右腿“髋关节置换术”的康复治疗，正式出院回到家中静养。,58,2.1,医用金属材料概述,金属,-,金属人工髋关节的历史：,Wiles,英国,Philip Wiles,金属,-,超高分子聚乙烯人工关节,金属,-,金属人工髋关节广泛应用,另一种全髋关节,世界首例金属,-,金属人工髋关节置换术,1938,6,例手术,1958,后,摩擦面经精心打磨，与关节精确配合。,骨吸收和假体松动。,8,例手术,60-70,70,后,设计问题，失败率提高,。,2000,年后，由于松动性问题，一致认为应以组合式为宜。,如：股骨头及臼杯,-,钴铬钼合金；股骨柄,-,钛合金；髋臼外壳,-,不锈钢材料。,59,2.1,医用金属材料概述,钴基合金,以钴和铬为主要成分的合金。最为常用两类：钴铬钼合金和钴铬钼镍合金。,钴铬钼合金：,为钴基奥氏体。含铬,30%,，其,耐腐蚀性为不锈钢的,40,倍；,含钼,5-7%,，提高其耐磨性，适于制造人工关节的金属间滑动连接件。,（一）钴基合金的种类及成分,60,2.1,医用金属材料概述,美国材料试验协会列出四种钴基合金作为外科植入材料,：,可铸造钴铬钼（,Co-Cr-Mo,）合金（,F75,）；,可铸造钴镍铬钼（,Co-Ni-Cr-Mo,）合金（,F562,）；可锻造钴铬钨镍（,Co-Cr-W-Ni,）合金（,F90,）；,可锻造钴镍铬钼钨铁（,Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe,）合金（,F563,）。,我国,在对外科植入物的标准中对钴基合金的各种添加成分也做了相应规定。,61,2.1,医用金属材料概述,钴：,是人类营养的必需物质。主要由消化道和呼吸道吸收，正常体内约含,1mg,。,生物学功能：,促进肠胃内铁吸收、治疗贫血。钴中毒：甲状腺肿大、心肌病。,（二）钴铬钼元素的生物学作用及生理功能,铬：,是人体必需微量元素。参与人体糖与脂肪代谢，正常体约含,6mg,。,生物学功能：,缺铬导致,糖尿病、高脂血症、冠心病等；铬中毒,-,皮炎肺炎胃炎等。,钼：人体必需微量元素，正常体内约含,9mg,。主要分布在骨骼、肾和肝中。,生物学功能：,参与一些酶的生物合成、保护人体心肌；钼中毒,贫血、白血病、软骨病、痛风等病例报道。,62,2.1,医用金属材料概述,性能：,取决于其微观结构，而加工工艺正是微观结构直接控制且深受影响的重要因素。采用加工工艺与加工方法结合。,（三）钴基合金的性能与应用,应用：,医疗中的常用材料，相对于不锈钢，更适合做体内承载条件苛刻的长期植入品。,63,2.1,医用金属材料概述,特性,铸造,Co-Cr-Mo,（,F75,）,锻造,Co-Ni-Cr-Mo,（,F562,）,固溶退火,冷加工时效,极限拉伸强度（,MPa,）,655793-1000,1790,屈服强度（,MPa,）,450,240-655,1585,延伸率（,%,）,8,50,8,截面收缩率（,%,）,8,65,35,断裂强度（,MPa,）,310,表,2-1,钴基合金的机械力学性能,64,2.1,医用金属材料概述,人工,髋关节,65,2.1,医用金属材料概述,钛和钛基合金,钛和钛基合金的发展与冶金技术的逐步完善密不可分。,如：,1951,年 将纯钛制成骨板和骨钉，植入到猫的股骨中。具有良好生物相容性，且质量轻、密度小。但其力学性能较差，继而开发了钛合金，成功用于临床，具有发展潜力的金属材料之一。,66,2.1,医用金属材料概述,（一）钛和钛基合金的种类和成分,元素,I,II,III,IV,Ti-6Al-4V,氮,0.03,0.03,0.05,0.05,0.05,碳,0.10,0.10,0.10,0.10,0.08,氢,0.015,0.015,0.015,0.015,0.0125,铁,0.20,0.30,0.30,0.50,0.25,氧,0.18,0.25,0.35,0.40,0.13,铝,5.50-6.50,钒,3.50-4.50,钛,平衡,平衡,平衡,平衡,平衡,注：表中数值均为质量分数（,%,），,I,、,II,、,III,、,IV,分别表示一级、二级、三级和四级。,表,2-2,美国认可的钛金属和钛合金化学成分组成,67,2.1,医用金属材料概述,我国,纯钛不含氮,，但,含镍、硅,。杂质元素的含量过大会降低化合物的脆性。,纯钛,体心立方结构（,钛）,立方密排的,单相组织（,钛）,相变温度,882,o,C,铝：,提高相变温度，改善,高温抗氧化性与力学性；,钒,：降低相变温度，增加,钛合金的强度；,提高强度和机械性能，良好抗腐蚀性能。,68,（二）钛和钛基合金的机械性能及临床应用,钛与钛基合金,硬度,抗张屈服强度（,MPa,）,最终抗张强度（,MPa,）,伸张率（,%,）,疲劳强度（,MPa,）,I,RB70-87,170,240,24,124,II,RB88-92,275,345,20,193,III,RB95-99,380450,18,269,IV,RB23-29,485,550,15,338,Ti-6Al-4V,965,1034,10,620,在抗张强度和疲劳强度方面，,Ti-6Al-4V,明显高于纯钛。,纯钛,可制作骨头托架、口腔正畸、头盖骨和硬模、人工心脏、瓣膜和框架；,钛合金,可制作骨折内固定器等,。,2.1,医用金属材料概述,69,医用贵金属,贵金属：,通常指金（,Au,）、银（,Ag,）和铂族金属，如铂（,Pt,）、铑（,Rh,）、钯（,Pd,）、铱（,Ir,）、钌（,Ru,）和锇（,Os,）。,医用贵金属,：,指常用于人体的金、银、铂及其合金。具有优异的物理、力学和化学性能，以及生物惰性和良好的生物相容性。,2.1,医用金属材料概述,70,（一）金与金合金,成分与性能：,具有黄色色泽，具有极高的抗腐蚀性，不与氧、酸和碱作用。纯金质软，有好的延伸性，用于牙齿的全包覆牙套。由于不耐磨，其合金常用于口腔整牙修复，如金银铜合金为基础，附加钯、铂、锌而构成。,临床应用：,铸造金合金是口腔医学中应用最早的生物材料。由于价格应用受限。,2.1,医用金属材料概述,71,（二）银与银合金,铸造银基合金：,纯银具有许多特点和优点，但其耐硫化性能差，与硫变黑。常添加金、铂、钯和铱以强化银的固溶度。临床应用如：冠桥修复体。,银汞合金：,是一种历史悠久的牙科充填修复材料，也是合金材料。也称汞齐合金。临床主要用作窝洞的充填，尤其适用于后牙。但是注意其操作安全性及细胞毒性。,2.1,医用金属材料概述,72,（三）铂与铂合金,铂：,是一种银白色金属，俗称白金。具有高熔点、高沸点和低蒸汽压的特点，其化学性能稳定，但用热硫酸或熔融苛性碱会产生较高的腐蚀。而且也不会被直接氧化，是金属中唯一能够抗氧化直至熔点的金属。,铂合金：,常用的有铂金合金、铂银合金和铂铱合金等。临床有：微探针用于人体神经系统的各种植入型检测和修复用电子装置、心脏起搏器。贵而应用受一定限。,2.1,医用金属材料概述,73,医用钽铌锆,医用钽：,银灰色金属，熔点高达,2950,度；化学活性很高，其表面极易形成稳定的纯化膜，具有极佳的抗生理腐蚀具有优良的生物学性能，具有诱导成骨性，抗血栓性能等。,医用铌：,熔点高达,2467,度；具有良好的化学活性和抗腐蚀性；贵用而受限。,医用锆：,银色金属，熔点为,1952,度；具有较好的化学活性和抗腐蚀性；良好的延展性，优良的生物相容性，医学上与医用纯钛等同使用，但贵而受限。,2.1,医用金属材料概述,74,2.2,镍钛形状记忆合金,形状记忆合金,定义：,指能经过一定塑性变形后在一定条件下自动恢复其原始形状的合金材料，即在一定温度下，形状记忆合金内部的微观结构会发生晶相转变，宏观上就表现为自身形状的改变。,(a),原始形状,(b),拉 直,(c),加热后恢复,75,CuZnAl,形状记忆合金化开放：,65,85,，闭合为室温。,Ni-Ti,形状记忆合金钢圈,低温变形，体温自行恢复原形，,2.2,镍钛形状记忆合金,76,种类：,（,1,）镍钛形状记忆合金：,等原子比的金属间化合物；高塑性；高机械性能（由于,316L,不锈钢）；耐磨性；耐腐蚀性；独特的形状记忆恢复温度（,362,）。,（,2,）铜基形状记忆合金：,Cu-Zn-Al,与,Cu-Al-Ni,；具有形状记忆效应和伪弹性双相记忆。,（,3,）铁基形状记忆合金,：,Fe-Ni,合金由面心立方晶体向密排六方晶体转变时，显示形状记忆效应；良好的,Fe-Mn-Si,合金形状记忆效益；价廉形变大。,（,4,）磁性形状记忆合金：,新型致动材料，是由磁诱导或磁控的形状记忆合金。如：,Fe-Co-Ni-Ti,、,Ni2MnGa,等。,2.2,镍钛形状记忆合金,77,镍钛合金加工与性能,（一）镍钛合金的制备与加工,制造过程：,冶炼、铸造成锭,-,热加工和冷加工,-,机械加工机切割,-,定型处理。,注意：,镍含量、锻造温度（,750-900 oC,）等。,（二）镍钛合金的物理化学性能,热性能、电性能、磁性能和阻尼特性、拉伸强度及抗疲劳强度；抗氧化性能和耐腐蚀性能。,2.2,镍钛形状记忆合金,78,镍钛记忆合金的生物学研究,镍,:,必需；由呼吸道吸收；,0.026mg/L,；,钛,:,非必需；无细胞毒性；可与骨结合（,Ca-P,富集层钛,具有强氧化能力，保护合金。,细胞毒性较小,较高的生物相容性,较低的生物退变性,较好的生物材料,镍钛合金,镍钛元素,2.2,镍钛形状记忆合金,79,镍钛记忆合金的临床应用,（,a,）原始形状（,b,）折成球形装入登月舱（,c,）太阳能加热后,图：,1969,年阿波罗,1,号登月舱上使用的形状记忆合金天线,（,a,）预压缩（,b,）受热扩张后（,c,）植入腔道内后,图：医用腔内支架的应用原理示意图,2.2,镍钛形状记忆合金,80,（,a,）消化道内支架 （,b,）血管内支架 （,c,）胆道内支架,2.2,镍钛形状记忆合金,81,2.3,金属腐蚀和无菌性松动,金属材料在人体临床医用后的两大问题：,金属植入材料腐蚀,-,产生金属颗粒和金属离子,无菌性松动,-,导致金属植入物失效或失败,国际癌症研究会将金属合金腐蚀产物致突变性及致癌性分两类：,已证明有致癌,-,镍的衍生物；铬（,Cr6+,）、镉及其衍生物,可能致癌,-,镍、钴,不致癌但有致突变,-,锡、铜和铁。,82,金属腐蚀,（一）生理腐蚀,：,定义：,指金属材料进入人体后由人体环境对金属材料产生的腐蚀。,体液构成的电解质系统，且植入金属在体内不同,pH,条件下显示出不同的耐腐蚀性。,如：正常体液,pH=7.4,；受伤时,pH=3.5,；感染时,pH=9.0,胃部,pH,很低；,肠内,pH,很高；,2.3,金属腐蚀和无菌性松动,83,（二）生理腐蚀的种类：,全面腐蚀（均匀腐蚀）、,局部腐蚀,、磨损腐蚀、应力腐蚀、选择性腐蚀与腐蚀疲劳。,（三）表面改性：,通过表面改性，如在骨科临床上，常用的是羟基磷灰石（,HAP,）涂层钛合金，进一步改善其耐腐蚀性、耐磨性及生物相容性。,2.3,金属腐蚀和无菌性松动,84,无菌性松动,定义：,指当假体固定界面承受的载荷超过其界面结合强度，即可引起假体松动，是常见的临床应用后的并发症。,近期松动（,5,年内）,-,感染,中期松动（,5-10,年）,-,大多与外科技术有关,远期松动（,10,年后）：,生物力学因素,-,界面应力、界面结合强度及应力遮挡；,生物性因素,-,磨损颗粒的产生和扩散界面纤维膜组织学等；,生理性因素,-,骨结构本身的衰变。,2.3,金属腐蚀和无菌性松动,85,第,1,章,绪论,第,2,章,生物医用金属材料,第,3,章,生物医用无机材料,第,4,章,生物医用高分子材料,第,5,章,生物医用复合材料,第,6,章,生物医用材料相关技术,第,7,章,生物医用材料在临床上的实例,课程大纲,86,生物医用无机材料,按成分和性质,骨水泥,生物陶瓷,生物玻璃,天然生物矿物,合成生物医用材料,生物衍生材料,按来源,按临床用途,肌肉,-,骨骼系统,口腔科用,按生物环境中发生的生物化学反应水平,生物惰性,生物活性,生物可降解性,87,生物医用无机材料,3.1,骨水泥,3.2,生物陶瓷,3.3,生物玻璃,88,3.1,骨水泥,甲基丙烯酸甲酯,（,PMMA,）,磷酸钙骨水泥,（,CPC,）,磷酸镁水泥,（,MPC,）,Poly methyl methacrylate(PMMA),Calcium phosphate cement(CPC),Magnesium phosphate cement(MPC),骨水泥,-,作为人工合成替代材料中的重要组成分，在硬组织缺损修复和固定移植体过程中起着不可低估的地位。,Problelms:,5-10,年松动率高达,24-30%,，与人体骨形成非骨性结合；,生物相容性差；,单体的毒性；,过敏致肿瘤等,最近，将具有生物活性的无机颗粒或纤维增强的高分子骨黏合剂加入,PMMA,提高其生物相容性。,89,3.1,骨水泥,骨,-,是由坚硬的矿物质,（,羟基磷灰,石,结晶，即磷酸钙和氢氧化钙的复合物）和骨胶的有机质结合而构成。,羟基磷灰石,具有良好的生物相容性、骨传导性与骨诱导性,因此被广泛应用于人工骨的制造,。,一、自固化磷酸钙骨水泥,海珊瑚具有与人骨相类似的孔隙结构，,可以作为骨植入材料，但质地脆、吸收快，,只具支架和骨引导，无骨诱导能力。,由仿生思想的启示，,1986,年，美国齿科协会科学家,L.C.Chow,和,W.E.Brown,发明了磷酸钙骨水泥，,1996,年,FDA,批准,CPC,可以用于非承重骨的骨缺陷治疗。,90,31,骨水泥,磷酸钙骨水泥,：,20,世纪,80,年代中期，,Brown,及,Chow,发现由几种磷酸钙,盐组成的混合物能在,人体环境和温度下自行硬化,，,水化硬化过程基本不,放热,，,其水化成分最终转化为,羟基磷灰石,（,hydroxyapatite,，,HAP,）。,由,此可构成类似于硅酸盐水泥样的磷酸钙水泥，用于,人体骨的修复,，,故称,磷酸钙骨水泥,。由于其具有在人体自行固化的特性，因此又称,自固化磷酸钙人工骨,。,特点,：,自行硬化、塑形容易、与人体相容的特性的统一等。,目前，骨水泥成为材料界与医学界研究的热点之一。,91,3.1,骨水泥,（一）组成和水化机制,化学成分：,CPC,由固相,和,液相,两部分组成。,其中，,固相,至少包含除,HAP,外的两种磷酸钙盐，这些磷酸钙盐包括：,磷酸四钙（,tetraxalcium phosphate,，,TECP,，,Ca,4,(PO,4,),2,O,）,磷酸三钙（,tricalcium phasphate,，,TCP,，,Ca,3,(PO,4,),2,）,二水磷酸氢钙（,dicalcium phosphate dihydrate,，,DCPD,，,CaHPO,4,2H,2,O,）,无水磷酸氢钙（,dicalcium phosphate anhydrous,，,DCPA,，,CaHPO,4,）,磷酸二氢钙（,monocalcium phosphate monohydrate,MCPM,Ca(H,2,PO,4,),2,）,磷酸八钙（,octacalcium phosphate,，,OCP,，,Ca,8,H,2,(PO,4,),6,）,固相中钙磷比通常介于,1.3-2.0.,液相即固化液，,多为低浓度的磷酸或磷酸盐溶液，或蒸馏水、生理盐水或手术部位的血液等。,根据组成不同，分为,纯,CPC,与,功能性,CPC,（如添加药物、生物活性因子、抗水剂等）,。,92,3.1,骨水泥,CPC,的水化机制：,自行固化是骨水泥区别于其它生物材料（如生物陶瓷、生物玻璃等）的最主要特征之一。,CPC,固化并最终转化为,HAP,，,原理是基于不同磷酸钙盐在水中溶解度的差异。,在,pH=4.2-11,范围内，,HAP,在水中的溶解度最小，热力学最稳定，其它磷酸钙盐在水中会趋向于向,HAP,转化：,5Ca3(PO4)2+3H2O 3Ca5(PO4)3OH+H3PO4,5Ca8H2(PO4)6,5H2O 8Ca5(PO4)3OH+6 H3PO4+17H2O,5CaHPO4+H2O Ca5(PO4)3OH +2 H3PO4,3Ca4(PO4)2O+3H2O 2Ca5(PO4)3OH+2Ca(OH)2,93,3.1,骨水泥,CPC,固化为,HAP,的过程：,CPC,粉末与固化液接触，磷酸钙盐先溶解，,在,颗粒间结晶出细针状,HAP,。,随着水化反应的进行，,HAP,细小晶体不断长大并互相交联接触。晶体越大，接触点数量越多，固化体越坚硬，,其强度与,HAP,生成率正比。,单一磷酸钙盐水化时环境产生偏酸或碱，导致水化反应终止，其矿化能力相当有限，,CPC,是几种磷酸钙盐的混合物。,94,3.1,骨水泥,（二）,CPC,的材料学性能,CPC,A,轻松的形状,可塑性能,B,奇特的自行固化性能,C,优异的生物,相容性能,D,良好的体内,降解性能,E,合理的凝结时间、较高的强度、,良好的抗水性,以及微观结构,95,3.1,骨水泥,国内外学者对该材料性能的优化研究，取得了一定的进展。,凝结时间,-,指可塑浆体变成不再可塑时的时间，用标准稠度和凝结 时间测定仪测定。其数值取决于,-,材料组分、固相颗粒的大小和形态、,固液比及环境温度,等。,譬如：,减小磷酸钙盐的粒径，将使凝结时间显著缩短；,HAP,晶种的存在将大大缩短,CPC,的凝结时间；,可溶性磷酸盐的引入增大水化过程中过饱和度，提高反应力，加速固化；,F,-,离子可促进水产物向比,HAP,更稳定的氟磷灰石（,fluorapatite,，,FAP,）转化，起到快凝的效果。,96,3.1,骨水泥,2.,强度,-,抗压强度是衡量,CPC,在体内硬化后抗负载能力的指标。,CPC,固化,4h,后可基本到达最大抗压强度，一般为,30-50MPa,。目前报道最高为,70MPa,。,提高,CPC,抗压强度，可通过：,选择合适的制备条件，控制浆体微结构的初始特征及演变过程，使其向由于提高强度的方向变化；,减小大孔尺寸和数量，提高颗粒结合强度；,与添加剂复合，利用颗粒增强、纤维增强和原位增强来提高强度。,3.,自行固化和任意塑形,-,CPC,粉末与固化液调和后的糊状物，自行固化，凝结时间为,3-15min,；,可塑性强，固化过程不放热，与骨直接黏结，对周围组织无伤害。,如：在牙根管填充治疗时，较好封闭牙根，组织渗漏引起炎症反应。,97,3.1,骨水泥,4.,微观结构,-,材料的微观结构是影响其力学性能的重要因素，孔径大小和孔隙率测定能反映,CPC,内部的微孔结构。,微孔半径平均为,2-100nm,。,固化体微孔结构对强度影响明显：,微孔孔径越大，孔隙率越高，,CPC,强度则越小；,较小的孔径、较低的孔隙率虽能获得较高的强度，但不利于新骨的长入。,98,3.1,骨水泥,5.,抗水性,是指,CPC,在血液、生理盐水的静水压力下抗渗防水的能力，对于大量出血的外壳手术，这一性能显得尤为重要。,增强,CPC,抗水性的添加物应符合以下条件：,防止调和物在水中溃散；不应影响调和物转化为,HAP,；不降低,CPC,固化体的强度；不影响调和物的可操作性；具有至少与磷灰石相似的良好生物相容性；应在较短时间内吸收。,如：海藻酸钠是目前公认的优良抗水剂。,海藻酸钠：由,a-L-,甘露糖醛酸,(M,单元,),与,b-D-,古罗糖醛酸,(G,单元,),依靠,1,4-,糖苷键,连接并由不同,GGGMMM,片段组成的,共聚物,。,99,3.1,骨水泥,（三）,CPC,的生物学性能,安全性,相容性,材料无毒，无致癌、致突变、致畸形，与有机体亲和性好，植入后不引起异物反应，同时有引导新骨生成的功能。,成骨效应,在于,其骨引导活性,，新骨以爬行替代的方式生长，植入体与骨组织形成骨性连接。实验证实：,CPC,不具有诱导成骨活性，而是通过骨传导作用成骨。,降解性能,特点：材料植入骨组织后，通过体液溶解或被代谢系统排出体外，最终使缺损的部位完全被新生骨组织所取代，而材料只起临时支架作用。,100,3.1,骨水泥,（四）新型,CPC,的研制,药物控释骨水泥,注射型骨水泥,抗水快凝骨水泥,生物活性骨水泥,多孔磷酸钙骨水泥,101,3.1,骨水泥,（五）,CPC,的临床应用研究,骨科：,在骨缺损填充、修复等方面有较广泛应用。,如：羟基磷灰石,/,胶原类骨仿生复合材料,-,增加其强度和韧性，更接近人骨。,临床应用,口腔科：,主要应用于：根管填充、盖髓、髓底修复和牙槽骨骨缺修复及人工牙种植是骨量不足补充。,102,经皮椎体成形术：,（,1,）穿刺针经椎弓根穿至病变椎体内,（,2,）注入骨水泥，从而加固病变椎体,3.1,骨水泥,103,3.1,骨水泥,二、磷酸镁水泥,磷酸镁骨水泥（,MPC,）,：,是一类反应型胶黏剂，具有同,CPC,材料相似的特性，其快凝、高早强的特性恰好能弥补,CPC,材料在这方面的不足。,特点,：,水化产物为磷酸镁铵之类的生物矿石，且水化过程中的放热速率可由镁化合物的水化活性来调节。,目前，对于,MPC,的国内外研究都集中在非生物材料领域，作为生物材料，国内未见报道，而国外也仅有零星报道。,104,3.1,骨水泥,（一）,MPC,的制备工艺,MPC,具有独特的水硬性质,-,可控的快凝和高早强特性。,MPC,体系由固液两相组成,，,其中固相包括：,氧化镁、磷酸盐和缓凝剂,。,氧化镁,-,由氢氧化镁或碱式碳酸镁经高温煅烧制得，具有化学活性，温,度升高，活性下降；,磷酸盐,-,