生物材料導(dǎo)論醫(yī)用金屬

1、生 物 材 料 導(dǎo) 論,郎 美 東博士 教授實(shí)驗(yàn)一樓 302Tel: 6425 3916 E-mail: mdlang@ecust.edu.cnApril 2, 2013,齒科用金屬材料,第四章　　醫(yī)用金屬材料,骨科用金屬材料,(物化性能要求),醫(yī)用金屬材料的進(jìn)步,,,,15~16世紀(jì)前,1826年1886年~1912年1924年1926年1937年1938年1940年1951年1963

2、年1971年,金作為齒科材料,以銀和水銀制得低熔點(diǎn)合金（68ºC）鍍鎳鋼板作為螺絲和骨接板高碳素釩鋼作為骨接板Co-Cr-W合金的生物相容性的調(diào)查SUS302(18%Cr-8%Ni不銹鋼系)作為植入材Co-Cr-Mo合金作為植入材 鉭的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)SUS316L(17%Cr-14%Ni-2.5%Mo優(yōu)質(zhì)耐侵蝕材料)　鈦的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)Co-Cr-Mo合金/HDPE人工骨關(guān)節(jié)、鈦合金的研究Co-Cr-Mo合金制多孔材

3、料,醫(yī)用金屬材料與普通金屬材料的價(jià)格差別,普通鋼　　　　　　　　 　4萬(wàn)日元/噸SUS316L不銹鋼　　　　 110萬(wàn)日元/噸Co-Cr系合金　　 　　　1,600萬(wàn)日元/噸純鈦　　　　　 　　　 　500萬(wàn)日元/噸,Ti－6%Al－4%V 　1,000萬(wàn)日元/噸 鈦合金,,拉伸試驗(yàn),應(yīng)變,各種材料的抗張強(qiáng)度和應(yīng)變的關(guān)系,鈦合金,骨,不銹鋼(SUS316L),HDPE,ZrO2陶

4、瓷,Al2O3,抗張強(qiáng)度,（注：曲線下所占面積越大，材料的韌性就越高）,三類生物材料有關(guān)性質(zhì)的比較,,,,?,,,,好,中,差,醫(yī)用金屬材料的主要化學(xué)組成和性能,鈦金屬 　 鈦合金 　 　 不銹鋼 　 Co-Cr合金 主要成份 Ti 　　 Ti 　　　 Fe 　　 Co + Cr C 　 414 >85

5、3 >482 >655延伸率(%) >18 >10 >40 >8彈性模量 5倍 5倍 10倍 10倍(金屬/骨),,,金

6、屬材料的特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：低毒性，高強(qiáng)度，高韌性，高耐久性（抗疲勞、耐摩耗） 缺點(diǎn)：無(wú)生物活性，高彈性模量,,,,SUS316L不銹鋼　 Co-Cr合金　Ti-6Al-4V,,抗張強(qiáng)度楊氏模量韌性疲勞強(qiáng)度耐摩耗耐侵蝕性加工性生物相容性,? 　　　　　 ? ? ? ? ? ?

7、 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

8、 ? ? ? ? ?,代表性醫(yī)用金屬材料性質(zhì)的比較,,醫(yī)用不銹鋼,不銹鋼按其組織相的特點(diǎn)可分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、沉淀硬化型不銹鋼和奧氏體不銹鋼，后者因具有良好的耐蝕性能和綜合的力學(xué)性能而得到廣泛的臨床應(yīng)用。,奧氏體不銹鋼無(wú)磁性，不能通過(guò)相變使合金強(qiáng)化，但借助于冷加工方法可明顯提高其力學(xué)性能。這類

9、不銹鋼均含有足夠量的鉻以保證其良好的耐腐蝕能力。碳含量高會(huì)引起不銹鋼的晶間腐蝕，故超低碳AISI316L和317L不銹鋼得到了廣泛的臨床應(yīng)用。常用的醫(yī)用奧氏體不銹鋼的組分與性能列入下表。,醫(yī)用不銹鋼,,規(guī)格 種類 抗張強(qiáng)度(MPa) 延伸率(%) 硬度　(HB),ASTM F-138 SUS316L ?485

10、 ?40 217,JIS H 4303 　SUS316L ?480 ?40 187 G4303(棒) 4308(線材),,,ISO 5832-1 A ?515

11、 ?40 B ?480 ?40,,,不銹鋼器件植入體內(nèi)，其合金元素會(huì)通過(guò)生理腐蝕和磨蝕而導(dǎo)致金屬離子溶出，后者進(jìn)入組織液會(huì)引起機(jī)體的一些不良反應(yīng)。在一般情況下，人體組織只能容

12、忍微量金屬離子存在，因此必須嚴(yán)格控制醫(yī)用不銹鋼在體內(nèi)的金屬離子溶出。醫(yī)用不銹鋼的合金元素多，且有強(qiáng)的負(fù)電性，能夠變化其電子價(jià)態(tài)，并與體內(nèi)的有機(jī)和無(wú)機(jī)物質(zhì)化合而形成復(fù)雜的化合物。,在鐵、鎳、鉻、鋁、釩等主要合金元素中，對(duì)機(jī)體組織影響比較清楚的是　　鐵，它與血紅細(xì)胞結(jié)合可形成鐵血黃素。　　鉻能與機(jī)體內(nèi)的絲蛋白結(jié)合。　　機(jī)體過(guò)量富集鎳有可能誘發(fā)腫瘤的形成?！　♀C具有很強(qiáng)的細(xì)胞素性早已被試驗(yàn)所證實(shí)?！　⊥ǔａt(yī)用不銹鋼的小量腐蝕不會(huì)引起

13、組織的明顯變化，但量大時(shí)會(huì)引起水腫、感染、組織壞死或過(guò)敏反應(yīng)。,醫(yī)用不銹鋼的臨床應(yīng)用：　　在骨科常用來(lái)制作各種人工關(guān)節(jié)和骨折內(nèi)固定器，如人工髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)與指關(guān)節(jié)；各種規(guī)格的截骨連接器、加壓板、鵝頭骨螺釘；各種規(guī)格的皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨加壓螺釘、脊椎釘、哈氏棒、魯氏棒、人工椎體和顱骨板等，亦用于骨折修復(fù)、關(guān)節(jié)置換，脊椎矯形等?！　≡诳谇豢漆t(yī)用不銹鋼廣泛應(yīng)用于鑲牙、矯形和牙根種植等各種器件的制造，如各種牙冠、

14、牙橋、固定支架、卡環(huán)、基托、正畸絲、義齒、頷面修復(fù)件等?！　≡谛难芟到y(tǒng)，醫(yī)用不銹鋼應(yīng)用于制作各種植入電極、傳感器的外殼與導(dǎo)線、人工心瓣膜、介入性治療導(dǎo)絲與血管內(nèi)支架等。此外，醫(yī)用不銹鋼還用于制作各種宮內(nèi)避孕環(huán)、眼科縫線、固定環(huán)、人工眼導(dǎo)線等。,醫(yī)用鈷基合金,醫(yī)用鈷基合金包括鈷鉻鉬合金、鈷鉻鎢鎳合金、鈷鎳鉻鉬鎢鐵合金和MP35N鈷鎳合金及其烤瓷合金。它們的成分與力學(xué)性能分別列入下表中。,醫(yī)用鈷基合金的生物相容性與其在機(jī)體的腐蝕行為密切

15、相關(guān)。合金植入體內(nèi)后一般保持鈍化狀態(tài)。與不銹鋼相比，鈷基合金的鈍化膜更穩(wěn)定，耐蝕性更好。鈷鉻鉬合金的點(diǎn)蝕傾向非常小，對(duì)應(yīng)力腐蝕斷裂也不敏感。當(dāng)鈷基合金因摩擦造成磨損時(shí)會(huì)很快由強(qiáng)烈的局部腐蝕轉(zhuǎn)化為全面的均勻腐蝕，并顯示出光亮的斑疤。用鑄造鈷鉻鉬合金制作的人工髖關(guān)節(jié)在人體內(nèi)發(fā)生疲勞斷裂的概率與醫(yī)用不銹鋼制作的相差無(wú)幾，這主要是由于鑄造組織的缺陷造成的。若采用鍛造鈷基合金則可大大降低腐蝕疲勞失效的概率。,醫(yī)用鈷基合金,,規(guī)格

16、 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,,,,,規(guī)格 抗張強(qiáng)度(MP

17、a) 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

18、 ?860 ?30,醫(yī)用鈷基合金的耐磨性是所有醫(yī)用金屬材料中最好的，故鈷基合金植入體內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生明顯的組織反應(yīng)。,醫(yī)用鈷基合金與醫(yī)用不銹鋼是醫(yī)用金屬材料在臨床醫(yī)學(xué)中應(yīng)用最廣泛的兩類材料。相對(duì)不銹鋼而言，醫(yī)用鈷基合金更適于制造體內(nèi)承載苛刻的長(zhǎng)期植入件。在骨科醫(yī)用鈷基合金是用來(lái)制作各種人工關(guān)節(jié)、接骨板、骨釘、骨針、接骨絲等；在心血管系統(tǒng)用于制造人工心瓣膜、血管內(nèi)支架等；在口腔科用于制

19、作卡環(huán)、基托、舌桿、義齒和各種鑄造冠、鑄造嵌件、整鑄固定橋和鑄造頷墊等。此外還用于脊椎整形、顱骨修復(fù)等。,醫(yī)用鈦與鈦合金,鈦是一種化學(xué)活潑元素，極易與空氣中的氧、氫、氮反應(yīng)形成化合物，影響其性能。純鈦在低于882℃時(shí)為密排六方晶格的?單相組織，不能通過(guò)熱處理強(qiáng)化，但冷加工變形可使其強(qiáng)度有所提高。純鈦通常按雜質(zhì)元素碳、鐵、氧的含量多少分為4個(gè)級(jí)別，其性能有所差異。氧是一種強(qiáng)的?相穩(wěn)定劑，具有一定的固溶強(qiáng)化作用。隨著氧含量增高，純鈦的強(qiáng)度有

20、所提高，而塑性有所降低。 鈦合金按其組織結(jié)構(gòu)分為?相、?目和?十?雙相合金等3類。?相鈦合金在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用較少。用于口腔矯正的?相鈦合金一般含11％鉬、4％錫和6％鋯，室溫下的組織為亞穩(wěn)態(tài)的?相，可通過(guò)熱處理強(qiáng)化，具有較高的回彈性和低剛性。,,規(guī)格 種類 Al V Femax Omax Cmax Nmax Hmax Ti 其它,AS

21、TM 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種 5.5-6.75 3.5-4.5 0.30 0.20 0.10 0.05 0.015 剩余量 0.5“鈦合金板”,JIS H 4657 60種

22、 5.5-6.75 3.5-4.5 0.30 0.20 0.10 0.05 0.0125 剩余量 0.5“鈦合金棒及鍛造品”,,,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　—,,規(guī)格 抗張強(qiáng)度(MPa

23、) 延伸率(%),ASTM F-136 ?896 ?10,JIS H 4607 　 ?825 ?8,,,ISO 5832-3 ?860

24、 ?10,,與其他醫(yī)用金屬材料相比，醫(yī)用鈦合金的主要性能特點(diǎn)是密度較低、彈性模量值小(約為其他醫(yī)用金屬材料的一半)，與人體硬組織的彈性模量比較匹配。   純鈦與鈦合金表面能形成一層穩(wěn)定的氧化膜，具有很強(qiáng)的耐腐蝕性。在生理環(huán)境下，鈦與鈦合金的均勻腐蝕甚微，也不會(huì)發(fā)生點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕與晶間腐蝕。當(dāng)發(fā)生電偶腐蝕時(shí)，通常是與鈦合金形成偶對(duì)的金屬被腐蝕。但是，鈦與鈦合金的磨損與應(yīng)力腐蝕較明顯，腐蝕疲勞也較為復(fù)雜

25、。   鈦對(duì)人體毒性小，有利于其臨床應(yīng)用。,特　點(diǎn),由于醫(yī)用鈦與鈦合金密度小、彈性模量接近于天然骨，故廣泛用于制作各種人工關(guān)節(jié)、接骨板、骨螺釘與骨折固定針等。用純鈦和鈦合金制作的牙根種植體、義齒、牙床、托環(huán)、牙橋與牙冠已廣泛用于臨床。用純鈦網(wǎng)作為骨頭托架已用于顎骨再造手術(shù)。用微孔鈦網(wǎng)可修復(fù)損壞的頭蓋骨和硬膜，能有效地保護(hù)腦髓液系統(tǒng)。用純鈦制作的人工心瓣膜與瓣籠已成功地得到應(yīng)用，臨床效果良好。,應(yīng)　用,醫(yī)用鉭、鈮、鋯,鉭

26、是化學(xué)活性很高的元素，在生理環(huán)境中，甚至在缺氧條件下也能在其表面生長(zhǎng)一層化學(xué)穩(wěn)定的鈍化膜，使鉭具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性與耐蝕性。鉭植入骨內(nèi)能與新生骨直接結(jié)合，但在軟組織中引起的組織反應(yīng)要比鈦與鈷基合金強(qiáng)些。鉭的氧化物基本上不被吸收，不呈毒性反應(yīng)。具有半導(dǎo)體性質(zhì)，可用作刺激腦和肌肉組織的電極。鉭可加工成板、帶、箔、絲，鉭片用于修補(bǔ)顱蓋骨，鉭絲可用于縫合神經(jīng)、肌腱和血管，鉭板和鉭帶用于修補(bǔ)骨缺損，用鉭絲編制網(wǎng)可修補(bǔ)肌肉組織。鉭在介入性治療中有廣

27、泛用途，在血管內(nèi)支架表面復(fù)合鉭涂層能有效地提高抗凝血性能。,鈮與鉭同屬于元素周期表第V族元素，具有極相似的化學(xué)性質(zhì)。純鈮與純鉭一樣具有很強(qiáng)的耐蝕性、良好的加工性能與生物相容性，用鈮制成的骨髓內(nèi)釘已應(yīng)用于臨床。 　鋯與鈦同屬于元素周期表第IV族元素，具有相似的組織結(jié)構(gòu)與化學(xué)性質(zhì)。致密金屬鋯與鈦一樣，具有很強(qiáng)的耐蝕性，良好的冷加工性能與生物相容性。金屬鋯可加工成板、帶、線材。理論上講鋯可取代鈦在臨床上的應(yīng)用，但因鋯價(jià)格較貴，廣泛應(yīng)

28、用受到限制。,醫(yī)用貴金屬及其合金,醫(yī)用貴金屬通常是指金、銀和鉑及其合金。貴金屬具有化學(xué)穩(wěn)定性和良好的耐腐蝕性與抗蠕變性能，對(duì)機(jī)體組織無(wú)毒、刺激性小、導(dǎo)電性優(yōu)異。 　　　金及其合金具有美麗的色澤和良好的生物相容性。用0.5?1.0?m厚的純金箔可做牙齒的全包覆牙套，但不耐磨。在口腔科得到廣泛應(yīng)用的不是純金，而是金合金，并根據(jù)臨床需要分為軟型鑄造金合金(I型)、中等鑄造金合金(Ⅱ型)、硬型鑄造金合金(III型)和超硬型鑄造金合金(

29、Ⅳ型)等4種,金合金主要用于口腔科，在顱骨修復(fù)與植入電極，電子裝置等方面也得到了臨床應(yīng)用。由于使用金及其合金費(fèi)用高，使仿金合金的研制得到了加強(qiáng)?，F(xiàn)已研制出的銅鋅仿金合金，其熔點(diǎn)約950℃(與合金的熔點(diǎn)相當(dāng))，具有良好的加工性能與鑄造性能，強(qiáng)度、耐蝕性與色澤均滿足臨床要求，可望獲得應(yīng)用。,銀與銀合金在臨床醫(yī)學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用。純銀具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，已用于植入型電極與電子裝置。銀汞合金(亦稱汞齊合金)是齲齒充填材料。傳統(tǒng)的汞齊合金是采用高

30、銀低銅的設(shè)計(jì)方案制備的，通常含有?2(Sn8Hg)有害相，會(huì)嚴(yán)重地降低合金的力學(xué)性能與耐腐蝕性。近10年來(lái)得到廣泛應(yīng)用的是按高銅低銀設(shè)計(jì)方案制備的新型汞齊合金，不含?2有害相，是比較理想的齲齒充填材料。,鉑與鉑合金具有優(yōu)異的抗氧化性能與耐蝕性。鉑不會(huì)直接氧化，是唯一能夠抗氧化到熔點(diǎn)的金屬。在室溫下除“王水”外，鉑幾乎不與任何化學(xué)試劑反應(yīng)。在鉑中添加金、銀、鈀、銠等金屬可使色澤美麗素雅，具有極佳的耐蝕性與加工性能。常用的鉑合金有鉑銥合金、

31、鉑金合金、鉑銀合金等。用鉑與鉑合金制造的微探針廣泛應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng)檢測(cè)，其相關(guān)裝置有神經(jīng)修復(fù)儀、耳渦神經(jīng)刺激裝置，橫隔膜神經(jīng)刺激裝置、視覺(jué)神經(jīng)裝置、小兒脊椎彎曲整形裝置。鉑或鉑銥合金導(dǎo)線電極用于心臟起搏器。鍍鉑的鈦陽(yáng)極用于血液凈化處理。含鉑植入電極可直接在動(dòng)脈內(nèi)測(cè)量血液成分與性能變化。用鉑族金屬作為放射性同位素源外殼植入人體腫瘤部位，可使全部輻射釋放于惡性細(xì)胞的同時(shí)而不損傷或少損傷周圍的健康細(xì)胞。,醫(yī)用磁性材料　　選用生物相容性良好的磁

32、性材料加工成磁性藥物制劑，既可外用治病，又可內(nèi)服用于靶向給藥和磁性造影。我國(guó)醫(yī)藥工作者采用磁性材料貼于選定的穴位，可以治療淺表性胃疼痛，風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎，高血壓以及慢性皮膚潰瘍等疾病。20世紀(jì)70年代起，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始磁性控釋技術(shù)的研究，方法是將磁性鐵粉與藥物共同包裹于醫(yī)用高分子載體中形成磁性微球，再在病灶區(qū)外磁場(chǎng)作用下，讓磁性微球定向運(yùn)動(dòng)并富集在病灶靶區(qū)，所含藥物可以定向釋放作用于靶細(xì)胞，這種通過(guò)磁場(chǎng)物理因素把藥物導(dǎo)向到靶位的給藥方法叫物理靶

33、向給藥。所用的藥劑形式有磁性微球注射劑、磁性微球膠囊劑和片劑。這類先進(jìn)的導(dǎo)彈療法可用于惡性腫瘤、糖尿病的治療。在疾病診斷中，還可以磁性微球作造影劑。,醫(yī)用形狀記憶合金,TiNi合金是目前醫(yī)學(xué)上使用的唯一的記憶合金。 TiNi合金在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用較廣的有口腔牙齒矯形絲以及外科中各種矯形棒、骨連接器、血管夾、凝血濾器等。近年來(lái)血管擴(kuò)張?jiān)葢?yīng)用也見(jiàn)報(bào)道。 牙齒矯形絲是利用TiNi合金相變偽彈性特點(diǎn)，使合金絲處理成超彈性絲。由于應(yīng)

34、力誘發(fā)馬氏體相變使彈性模量成非線形變化，當(dāng)應(yīng)變?cè)龃髸r(shí)，矯正力卻增加不多。因此佩帶矯正絲時(shí)，即使產(chǎn)生很大的變形也能保持適宜的矯正力，不僅操作方便，療效好，而且可減輕患者的不適感。TiNi合金的超彈性功能使應(yīng)變高達(dá)10％仍不會(huì)發(fā)生塑性變形。,脊柱側(cè)彎矯形用哈氏棒通常是用不銹鋼制成，但由于植入人體后以及在隨后使用中，矯正力明顯下降，甚至在半個(gè)月后下降55％，故通常必需進(jìn)行再次手術(shù)以調(diào)整矯正力，使患者在精神上、肉體上承受較大痛苦。改用形狀記憶合

35、金棒，只需一次安放固定手術(shù)。一般是將TiNi合金棒記憶處理成直棒，然后在Ms以下溫度(通常在冰水)彎成與人體畸形脊柱相似的形狀(彎曲應(yīng)變小于8％)，立即安放于人體內(nèi)并加以固定。手術(shù)后通過(guò)體外加熱使溫度高于體溫5?10℃，這時(shí)TiNi合金棒逐漸回復(fù)到高溫相狀態(tài)，產(chǎn)生足夠的矯正力。其它如骨折、骨裂等所需要的固定釘或固定板都是將TiNi合金的Af溫度定在體溫以下。先將合金板(或合金釘?shù)?按所需形狀記憶處理定形，在手術(shù)時(shí)，將定形板在冰水中(＜

36、Ms)變形成便于手術(shù)安裝的形狀，植入所需部位固定，靠體溫回復(fù)固定板形狀。用記憶合金固定骨折等患處，患者痛苦少，功能恢復(fù)快，是非常行之有效的方法。 （九院戴克戎院士）,多孔醫(yī)用金屬,形態(tài)固定：morphological fixation;生物固定：biological fixation;骨鍵合：　bone bonding; 也稱生物活性結(jié)合(bioactive fixation),電位(Ag/AgCl) (mV),電流密度(A/cm2

37、),有關(guān)金屬材料的耐蝕性,? in vivo的條件比 in vitro中更苛刻? Ti系材料的耐侵蝕性　 較好,? Ti系材料在 in vitro 環(huán)境下基本無(wú)析出，但家兔中植入1年后， 埋入物的周圍組織有萎縮現(xiàn)象,(PDE的磨損粉會(huì)增加局部的活性氧素),,Co合金(微球?425-710?m)埋入體內(nèi)后析出的離子的體內(nèi)分布,S.A. Brown, et.al., J. Biomed. Mater. Res., 27(1