生物材料導論醫用金屬骨科用金屬材料(物化性能要求)醫用金屬材料得進步15~16世紀前1826年1886年~1912年1924年1926年1937年1938年1940年1951年1963年1971年金作為齒科材料以銀和水銀制得低熔點合金(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合金得生物相容性得調查SUS302(18%Cr-8%Ni不銹鋼系)作為植入材Co-Cr-Mo合金作為植入材鉭得動物實驗SUS316L(17%Cr-14%Ni-2、5%Mo優質耐侵蝕材料)

鈦得動物實驗Co-Cr-Mo合金/HDPE人工骨關節、鈦合金得研究Co-Cr-Mo合金制多孔材料醫用金屬材料與普通金屬材料得價格差別普通鋼4萬日元/噸SUS316L不銹鋼110萬日元/噸Co-Cr系合金1,600萬日元/噸純鈦500萬日元/噸Ti－6%Al－4%V

1,000萬日元/噸鈦合金拉伸試驗應變各種材料得抗張強度和應變得關系鈦合金骨

不銹鋼(SUS316L)HDPEZrO2陶瓷Al2O3抗張強度(注:曲線下所占面積越大,材料得韌性就越高)金屬材料高分子材料陶瓷材料抗張強度楊氏模量韌性疲勞強度耐摩擦性耐侵蝕性抗老化生物活性

三類生物材料有關性質得比較

好中差醫用金屬材料得主要化學組成和性能

鈦金屬鈦合金不銹鋼Co-Cr合金

主要成份Ti

Ti

Fe

Co+CrC

<0、10

<0、08

<0、03

<0、35Fe<0、30<0、25主要<0、75Mn微量微量<2、0<1、0抗張強度(MPa)>414>853>482>655延伸率(%)>18>10>40>8彈性模量5倍5倍10倍10倍(金屬/骨)

金屬材料得特點:優點:低毒性,高強度,高韌性,高耐久性(抗疲勞、耐摩耗)缺點:無生物活性,高彈性模量SUS316L不銹鋼Co-Cr合金Ti-6Al-4V抗張強度楊氏模量韌性疲勞強度耐摩耗耐侵蝕性加工性生物相容性

代表性醫用金屬材料性質得比較11大家應該也有點累了，稍作休息大家有疑問的，可以詢問和交流醫用不銹鋼

不銹鋼按其組織相得特點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,后者因具有良好得耐蝕性能和綜合得力學性能而得到廣泛得臨床應用。奧氏體不銹鋼無磁性,不能通過相變使合金強化,但借助于冷加工方法可明顯提高其力學性能。這類不銹鋼均含有足夠量得鉻以保證其良好得耐腐蝕能力。碳含量高會引起不銹鋼得晶間腐蝕,故超低碳AISI316L和317L不銹鋼得到了廣泛得臨床應用。常用得醫用奧氏體不銹鋼得組分與性能列入下表。醫用不銹鋼規格種類

SimaxCmaxMnmaxPmaxSmaxCumaxNiCrMoFe

ASTMF-138SUS316L0.750.052.000.0250.010.5013182.5剩余量JISH4607

SUS316L1.000.082.000.0450.03–13.5172.5剩余量G4303(棒)4308(線材)ISO5832-1A1.000.082.000.0250.0150.51217.52.75剩余量

B1.000.032.000.0250.0150.51217.52.75剩余量規格種類抗張強度(MPa)延伸率(%)硬度(HB)ASTMF-138SUS316L485

40217JISH4303

SUS316L480

40187

G4303(棒)4308(線材)ISO5832-1A515

40

B480

40

不銹鋼器件植入體內,其合金元素會通過生理腐蝕和磨蝕而導致金屬離子溶出,后者進入組織液會引起機體得一些不良反應。在一般情況下,人體組織只能容忍微量金屬離子存在,因此必須嚴格控制醫用不銹鋼在體內得金屬離子溶出。醫用不銹鋼得合金元素多,且有強得負電性,能夠變化其電子價態,并與體內得有機和無機物質化合而形成復雜得化合物。在鐵、鎳、鉻、鋁、釩等主要合金元素中,對機體組織影響比較清楚得就是

鐵,她與血紅細胞結合可形成鐵血黃素。

鉻能與機體內得絲蛋白結合。機體過量富集鎳有可能誘發腫瘤得形成。

釩具有很強得細胞素性早已被試驗所證實。通常醫用不銹鋼得小量腐蝕不會引起組織得明顯變化,但量大時會引起水腫、感染、組織壞死或過敏反應。醫用不銹鋼得臨床應用:在骨科常用來制作各種人工關節和骨折內固定器,如人工髖關節、膝關節、肩關節、肘關節、腕關節、踝關節與指關節;各種規格得截骨連接器、加壓板、鵝頭骨螺釘;各種規格得皮質骨與松質骨加壓螺釘、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、關節置換,脊椎矯形等。在口腔科醫用不銹鋼廣泛應用于鑲牙、矯形和牙根種植等各種器件得制造,如各種牙冠、牙橋、固定支架、卡環、基托、正畸絲、義齒、頷面修復件等。在心血管系統,醫用不銹鋼應用于制作各種植入電極、傳感器得外殼與導線、人工心瓣膜、介入性治療導絲與血管內支架等。此外,醫用不銹鋼還用于制作各種宮內避孕環、眼科縫線、固定環、人工眼導線等。醫用鈷基合金醫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。她們得成分與力學性能分別列入下表中。醫用鈷基合金得生物相容性與其在機體得腐蝕行為密切相關。合金植入體內后一般保持鈍化狀態。與不銹鋼相比,鈷基合金得鈍化膜更穩定,耐蝕性更好。鈷鉻鉬合金得點蝕傾向非常小,對應力腐蝕斷裂也不敏感。當鈷基合金因摩擦造成磨損時會很快由強烈得局部腐蝕轉化為全面得均勻腐蝕,并顯示出光亮得斑疤。用鑄造鈷鉻鉬合金制作得人工髖關節在人體內發生疲勞斷裂得概率與醫用不銹鋼制作得相差無幾,這主要就是由于鑄造組織得缺陷造成得。若采用鍛造鈷基合金則可大大降低腐蝕疲勞失效得概率。醫用鈷基合金

規格FemaxCmaxSimaxMnmaxPmaxSmaxWCrMoNiCo

ASTMF-750、750、351、01、0–––28、561剩余量規格抗張強度(MPa)延伸率(%)ASTMF-75655

8ASTMF-900、750、10、41、50、040、031520–10剩余量ASTMF-75860

30醫用鈷基合金得耐磨性就是所有醫用金屬材料中最好得,故鈷基合金植入體內不會產生明顯得組織反應。醫用鈷基合金與醫用不銹鋼就是醫用金屬材料在臨床醫學中應用最廣泛得兩類材料。相對不銹鋼而言,醫用鈷基合金更適于制造體內承載苛刻得長期植入件。在骨科醫用鈷基合金就是用來制作各種人工關節、接骨板、骨釘、骨針、接骨絲等;在心血管系統用于制造人工心瓣膜、血管內支架等;在口腔科用于制作卡環、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、顱骨修復等。醫用鈦與鈦合金鈦就是一種化學活潑元素,極易與空氣中得氧、氫、氮反應形成化合物,影響其性能。純鈦在低于882℃時為密排六方晶格得

單相組織,不能通過熱處理強化,但冷加工變形可使其強度有所提高。純鈦通常按雜質元素碳、鐵、氧得含量多少分為4個級別,其性能有所差異。氧就是一種強得

相穩定劑,具有一定得固溶強化作用。隨著氧含量增高,純鈦得強度有所提高,而塑性有所降低。鈦合金按其組織結構分為

相、

目和

十

雙相合金等3類。

相鈦合金在醫學上應用較少。用于口腔矯正得

相鈦合金一般含11％鉬、4％錫和6％鋯,室溫下得組織為亞穩態得

相,可通過熱處理強化,具有較高得回彈性和低剛性。規格種類AlVFemaxOmaxCmaxNmaxHmaxTi其她ASTMF-1366Al-4V5、5-6、53、5-4、50、250、130、080、050、012剩余量—

JISH460760種5、5-6、753、5-4、50、300、200、100、050、015剩余量0、5“鈦合金板”JISH465760種5、5-6、753、5-4、50、300、200、100、050、0125剩余量0、5“鈦合金棒及鍛造品”ISO5832-36Al-4V5、5-6、753、5-4、50、300、200、080、050、015剩余量—

規格抗張強度(MPa)延伸率(%)ASTMF-136896

10JISH4607

825

8

ISO5832-3860

10

與其她醫用金屬材料相比,醫用鈦合金得主要性能特點就是密度較低、彈性模量值小(約為其她醫用金屬材料得一半),與人體硬組織得彈性模量比較匹配。

純鈦與鈦合金表面能形成一層穩定得氧化膜,具有很強得耐腐蝕性。在生理環境下,鈦與鈦合金得均勻腐蝕甚微,也不會發生點蝕、縫隙腐蝕與晶間腐蝕。當發生電偶腐蝕時,通常就是與鈦合金形成偶對得金屬被腐蝕。但就是,鈦與鈦合金得磨損與應力腐蝕較明顯,腐蝕疲勞也較為復雜。

鈦對人體毒性小,有利于其臨床應用。特點由于醫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節、接骨板、骨螺釘與骨折固定針等。用純鈦和鈦合金制作得牙根種植體、義齒、牙床、托環、牙橋與牙冠已廣泛用于臨床。用純鈦網作為骨頭托架已用于顎骨再造手術。用微孔鈦網可修復損壞得頭蓋骨和硬膜,能有效地保護腦髓液系統。用純鈦制作得人工心瓣膜與瓣籠已成功地得到應用,臨床效果良好。應用醫用鉭、鈮、鋯鉭就是化學活性很高得元素,在生理環境中,甚至在缺氧條件下也能在其表面生長一層化學穩定得鈍化膜,使鉭具有優異得化學穩定性與耐蝕性。鉭植入骨內能與新生骨直接結合,但在軟組織中引起得組織反應要比鈦與鈷基合金強些。鉭得氧化物基本上不被吸收,不呈毒性反應。具有半導體性質,可用作刺激腦和肌肉組織得電極。鉭可加工成板、帶、箔、絲,鉭片用于修補顱蓋骨,鉭絲可用于縫合神經、肌腱和血管,鉭板和鉭帶用于修補骨缺損,用鉭絲編制網可修補肌肉組織。鉭在介入性治療中有廣泛用途,在血管內支架表面復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,具有極相似得化學性質。純鈮與純鉭一樣具有很強得耐蝕性、良好得加工性能與生物相容性,用鈮制成得骨髓內釘已應用于臨床。

鋯與鈦同屬于元素周期表第IV族元素,具有相似得組織結構與化學性質。致密金屬鋯與鈦一樣,具有很強得耐蝕性,良好得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得應用,但因鋯價格較貴,廣泛應用受到限制。醫用貴金屬及其合金醫用貴金屬通常就是指金、銀和鉑及其合金。貴金屬具有化學穩定性和良好得耐腐蝕性與抗蠕變性能,對機體組織無毒、刺激性小、導電性優異。

金及其合金具有美麗得色澤和良好得生物相容性。用0、5

1、0

m厚得純金箔可做牙齒得全包覆牙套,但不耐磨。在口腔科得到廣泛應用得不就是純金,而就是金合金,并根據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(Ⅳ型)等4種金合金主要用于口腔科,在顱骨修復與植入電極,電子裝置等方面也得到了臨床應用。由于使用金及其合金費用高,使仿金合金得研制得到了加強。現已研制出得銅鋅仿金合金,其熔點約950℃(與合金得熔點相當),具有良好得加工性能與鑄造性能,強度、耐蝕性與色澤均滿足臨床要求,可望獲得應用。銀與銀合金在臨床醫學中得到了廣泛應用。純銀具有優異得導電性能,已用于植入型電極與電子裝置。銀汞合金(亦稱汞齊合金)就是齲齒充填材料。傳統得汞齊合金就是采用高銀低銅得設計方案制備得,通常含有

2(Sn8Hg)有害相,會嚴重地降低合金得力學性能與耐腐蝕性。近10年來得到廣泛應用得就是按高銅低銀設計方案制備得新型汞齊合金,不含

2有害相,就是比較理想得齲齒充填材料。鉑與鉑合金具有優異得抗氧化性能與耐蝕性。鉑不會直接氧化,就是唯一能夠抗氧化到熔點得金屬。在室溫下除“王水”外,鉑幾乎不與任何化學試劑反應。在鉑中添加金、銀、鈀、銠等金屬可使色澤美麗素雅,具有極佳得耐蝕性與加工性能。常用得鉑合金有鉑銥合金、鉑金合金、鉑銀合金等。用鉑與鉑合金制造得微探針廣泛應用于神經系統檢測,其相關裝置有神經修復儀、耳渦神經刺激裝置,橫隔膜神經刺激裝置、視覺神經裝置、小兒脊椎彎曲整形裝置。鉑或鉑銥合金導線電極用于心臟起搏器。鍍鉑得鈦陽極用于血液凈化處理。含鉑植入電極可直接在動脈內測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胞得同時而不損傷或少損傷周圍得健康細胞。醫用磁性材料選用生物相容性良好得磁性材料加工成磁性藥物制劑,既可外用治病,又可內服用于靶向給藥和磁性造影。我國醫藥工作者采用磁性材料貼于選定得穴位,可以治療淺表性胃疼痛,風濕性關節炎,高血壓以及慢性皮膚潰瘍等疾病。20世紀70年代起,國內外開始磁性控釋技術得研究,方法就是將磁性鐵粉與藥物共同包裹于醫用高分子載體中形成磁性微球,再在病灶區外磁場作用下,讓磁性微球定向運動并富集在病灶靶區,所含藥物可以定向釋放作用于靶細胞,這種通過磁場物理因素把藥物導向到靶位得給藥方法叫物理靶向給藥。所用得藥劑形式有磁性微球注射劑、磁性微球膠囊劑和片劑。這類先進得導彈療法可用于惡性腫瘤、糖尿病得治療。在疾病診斷中,還可以磁性微球作造影劑。

醫用形狀記憶合金TiNi合金就是目前醫學上使用得唯一得