医用金属材料

,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,*,第,3,章 医用金属材料,目录,医用金属材料的特性与要求,2,医用金属材料的腐蚀,4,常用医用金属材料,3,金属与合金表面涂层处理,5,医用金属材料概述,1,医用金属材料的研究进展,6,1,金属植入材料,定义：,应用：,是一种用作生物医用材料的金属或合金，又称作外科用金属材料或医用金属材料，是一类生物惰性材料。,通常用于整形外科、牙科等等领域，具有治疗、修复固定和置换人体硬组织系统的功能。,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、磁性合金等等,。,2,医用金属材料的特性与要求,(1),生物相容性,:,即,生物学,反应,最小,(2),优良的,机械性能,:,强度与弹性模量,（与生物体匹配）,耐磨性,(3),耐,腐蚀性能,：,腐蚀不仅降低或破坏金属材料的机械性能，导致断裂，还产生腐蚀产物，对人体有刺激性和毒性。,无不良刺激、无毒害，,不引起毒性反应、免疫反应，,不致癌、不致畸，,无炎性反应，不引起感染，不被排斥。,有助于愈合和附着。,（作为摩擦部件的医用金属材料，其耐磨性直接影响到植入器件的寿命）,3,常用医用金属材料,3.1,不锈钢,（,1,）,分类、组成和性能,奥氏体不锈钢,是在铁,-,铬系统中再加入,8%,以上的镍形成铁,-,铬,-,镍三元合金，随着碳含量的增加，强度大幅度地提高，抗腐蚀性能优异，,常作为生物材料选用,。,最早用于植入材料的不锈钢是,18-8(,即,302,不锈钢,),，其强度与耐蚀性能均优于钒钢。,引入,18-8sMo,，,其中的,Mo,能够改善在电解质溶液中的耐腐蚀性能，这就是我们熟知的,316,不锈钢,。,20,世纪,50,年代，,316,不锈钢的碳含量由,0.08%,降低为,0.03%,，进一步提高了其在含,Cl,溶液体系中的耐蚀性能，降低了材料致敏性，这就是常见的,316L,不锈钢,表,3.1 316,和,316L,不锈钢材料的力学性能,材料,状态,抗拉强度,/MPa,屈服强度,/MPa,延伸率,/%,洛氏硬度,/HRB,退火态,515,205,40,95,316,冷精轧,620,310,35,冷加工,860,690,12,300,350,退火态,505,195,40,95,316L,冷精轧,605,295,35,冷加工,860,690,12,表,3.1,给出了奥氏体不锈钢,316,和,316L,的力学性能。显然，退火态的材料硬度与强度较低，而经过冷加工后，材料可以具有更高的强度和硬度。这说明此类材料可以在大范围内调节力学性能。,但即使是牌号为,316L,的不锈钢在体内的特定环境下（如在高压或缺氧区域）也会被腐蚀。它们适合做临时装置，如骨折固定板、固定螺钉或销子,.,。,（,2,）生物相容性,腐蚀作用造成其长期植入的稳定性差，,密度和弹性模量与人体硬组织相距较大，力学相容性差。,溶出的镍离子有可能诱发肿瘤的形成及本身无生物活性，难于和生物组织形成牢固等原因，应用比例呈下降趋势。,（,3,）,临床应用,1),齿科：,镶牙、齿科矫形、牙根种植及辅助器件,2),人工关节和骨折内固定器械：,人工肩关节、肘关节、全髋关节、半髋关节、膝关节、踝关节、腕关节及指关节。各种规格的皮质骨和松质骨加压螺钉、脊椎钉、骨牵引钢丝、人工椎体和颅骨板等，,3),心血管系统：,各种传感器、植入电极的外壳和合金导线，可制作不锈钢的人工心脏瓣膜、血管内扩张支架等,4),其它：,如用于各种眼科缝线、人工眼导线、眼眶填充、固定环等。,3.2 Co,基合金,（,1,）分类、组成和性能,钴基合金通常是指,Co-Cr,合金，基本上,分为两类,：一类是,Co-Cr-Mo,合金,，一般通过铸造加工,，,铸造,Co-Cr-Mo,合金已经在牙科方面应用了近几十年，目前主要用于制造人工关节连接件；另一类是,Co-Ni-Cr-Mo,合金,，一般通过热锻加工,，,锻造,Co-Ni-Cr-Mo,合金主要用于制造关节替换假体连接件的主干，承受重载荷，如膝关节和髋关节等。,Co-Ni-Cr-Mo,合金,是一种最有名的钴基合金，它大约含有,Ni35%(,质量分数,),和,Co35%(,质量分数,),，这种合金在压力下对海水,(,含有,Cl,-,),有,很强的抗蚀性,，冷加工可大大增加它的强度。但在提高材料力学性能的同时，也增加了材料的加工难度。因此，现在,采用热锻方法制造,这种合金的植入器械。,锻造,Co-Ni-Cr-Mo,合金和铸造,Co-Cr-Mo,合金一样具有相似的耐磨性能,在关节模拟测试中大约是每年被磨损,0.14mm),。但是，由于,Co-Ni-Cr-Mo,合金较差的耐磨性能而不提倡用来制作关节假体的摩擦面。,锻造,Co-Ni-Cr-Mo,合金,具有很,高的疲劳强度,和,极限抗拉强度,，植入很长时间后，也很少会发生断裂。,种类,状态,屈服强度,(MPa),抗拉强度,(MPa),延伸率,(%),疲劳强度,(MPa),铸态,515,725,9.0,250,CoCrMo,固溶退火,533,1143,15.0,280,锻造,962,1507,28.0,897,退火,(ASTM),450,665,8.0,退火,350,862,60.0,345,CoCrWMo,冷加工,1310,1510,12.0,586,退火,(ASTM),310,860,10.0,CoNiCrMo,固溶退火,240,655,795,1000,50.0,冷加工时效,1585,1790,8.0,退火,275,600,50.0,CoNiCrMoWFe,冷加工,828,1000,18.0,退火,(ISO),276,600,50.0,Co,基合金如同其他合金材料一样，强度提高的同时降低了塑性。其弹性模量不随极限抗拉强度的变化而变化的。弹性模量范围从,220GPa,到,234GPa,。铸造和锻造合金都具有优良的抗蚀性能。表中四种钴基合金，只有钴铬钼合金可以在铸态下直接应用，其他三类均为医用锻造钴基合金。,表,3.2,典型钴基合金性能,（,2,）生物相容性,从耐蚀性看，它也是所用医用金属材料中最好的，一般认为植入人体后,没有明显的组织学反应,。但用铸造钴基合金制作的人工髋关节在体内的松动率较高，其原因是由于金属,磨损腐蚀,造成,Co,、,Ni,等离子溶出，在体内引起巨细胞和组织坏死，从而导致患者疼痛以及关节的松动、下沉。钴、镍、铬还可以产生皮肤过敏反应，其中以钴最为严重。,（,3,）临床应用,适合于制造体内承载苛刻、耐蚀性要求较高的长期植入件，其品种主要有各类人工关节及整形外科植入器械。在心脏外科、齿科等领域均有应用。,（,4,）钴基合金植入器件的制造制造加工方法,三种：,精密铸造,、,机械变形加工,和,粉末冶金,3.3,钛和钛合金,（,1,）,分类、组成和性能,在外科植入中运用的,Ti,金属材料,有,四个级别,（,表,3.3,）,，它们之间的区别在于杂质含量不同。,O,、,N,、,C,、,H,与,Ti,形成间隙固溶体，,Fe,与,Ti,形成置换固溶体。杂质元素的含量过大会形成脆性化合物。,O,、,N,和,C,能提高,Ti,的强度，降低其塑性。,Ti,很容易吸氢，,H,含量过高会产生氢脆，降低其韧性。微量的,Fe,对纯钛性能的影响不像,O,、,N,、,C,那样强烈。,Ti-6Al-4V,是一种广泛用于制造植入器械的钛合金，这种合金的主要合金元素是,Al(5.5%,6.5%,，质量分数,),和,V(3.5%,4.5%,，质量分数,),。,元素,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,钛,平衡,表,3.3 Ti,金属和,Ti,合金化学成分组成,(,以质量分数计,),商业用纯,Ti,和,Ti6Al4V,合金的机械立,力学性能,如表,3-4,，它们的弹性模量约为,110GPa,，大约是钴基合金的一半。,钛是目前已知的,生物亲和性最好,的金属之一，钛易于氧反应形成致密氧化钛,(TiO,2,),钝化膜，植入后引起的组织反应轻微。凝胶状态的,TiO,2,膜甚至具有诱导体液中钙、磷离子沉积生成磷灰石的能力，表现出一定的生物活性和骨结合能力，尤其适合于骨内埋植。,性能,Ti-6Al-4V,抗拉强度,/MPa,240,345,450,550,860,屈服强度,/MPa,170,275,380,485,795,延伸率,/%,24,20,18,15,10,断面收缩率,/%,30,30,30,25,25,表,3-4,Ti,及,Ti,合金的机械力学性能,(ASTM,，,F136),（,2,）生物相容性：,钛及钛合金的缺点是硬度较低，耐磨性差。,为了改善钛及钛合金的耐磨性能，可将钛制品,表面进行高温离子氮化,及应用,离子注入技术,处理，通过引起晶格畸变，使制品表面呈压力状态，从而提高硬度和耐磨性。,离子氮化,后的纯钛及钛合金硬度分别提高,7,倍和,2,倍。纯钛的磨损率降低到原来的,1/2,，钛合金降低到原来的,1/6,；氮化后钛材的年腐蚀率是非氮化的,1/3,。动物实验表明组织对表面渗氮钛材反应轻微，材料无毒性。,利用离子注入技术,，可在钛及合金表面注入氮离子，使其表面生成氮化钛陶瓷涂层，大大提高钛制品的耐磨，耐蚀性能，如,TC4,氮化前后，制品在模拟体液中的年腐蚀率降低至原来的,1/3,。,（,3,）临床应用,钛及钛合金具有优异的使用特性，被世界公认是生物医疗领域中优异的金属材料，采用钛及钛合金制造的股骨头、髋关节、肱骨、颅骨、膝关节、肘关节、肩关节、掌指关节、颌骨以及心瓣膜、肾瓣膜、血管扩张器、夹板、假体、紧固螺钉等上百种金属件移植到人体中，取得了良好的效果，被医学界给予了很高的评价。,（,4,）,钛和钛合金植入器件的制造,钛是非常活跃的元素，在高温有氧气存在时甚至能燃烧，因此在高温加工处理过程中，需在惰性气氛或真空条件进行。氧容易扩散进入钛使材料变脆，因此，任何加热处理或锻造都应在低于,925,C,的条件下进行。由于钛易磨损，,在机械加工过程中易黏刀,，使加工变得困难，可,采用电化学加工方法,解决这一问题。,3.4,齿科用金属,3.4.1,齿科汞齐,汞齐是一种含有汞金属成分的合金,。汞在室温下是液态，它能与其他金属反应，如银、锡等，形成一种塑性物质，将其填入龋洞中，汞齐随着时间推移发生硬化,(,凝固,),。,固态合金的成分,是：至少,65%,的银，不超过,29%,的锡，,6%,的铜，,2%,的锌和,3%,的汞。,牙医在填补龋洞时，一般先在机械研磨器中将微粒状的固态合金和汞混合，材料变得容易变形，方便操作，然后填充进准备好的龋洞中。,现在应用的汞齐合金的银合金粉在,组成,、,形状,及,包装,等方面都,有了较大改变,。在组成方面增加了铜含量，减少了银含量，使汞齐合金既提高了强度又降低了成本。传统的银合金粉制品是按比例配料后，在无氧高温条件下熔化，浇铸成锭，再用机械切削粉碎成微细粉末，因此在显微镜下为片状不规则形。如果将银合金粉在真空条件下熔化并雾化制粉，则在显微镜下观察为圆球形颗粒，又称球形银合金粉。由于球形粉末比不规则粉末的表面积小，故调和时所需汞的量也少，因此提高了汞齐合金的强度。另外，在包装方面使用胶囊包装取代传统的瓶装，按比例将一定量的汞和银粉末分别装于胶囊隔膜两侧，在两者调和后完成汞齐化。这样既减少了汞的污染又节约了原材料，并提高了汞齐合金的性能。,3.4.2,金,金和金合金的耐久性、稳定性和抗蚀性，使它们在牙科上成为很有用的金属,。,若,合金含有,75%(,质量分数,),或更多的金和其他贵金属，它们就能保留其良好的抗蚀性。铜与金形成的合金可显著提高其强度，,铂,也能改善其强度