医用金属材料讲解

• 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。
3.4.3 Ni-Ti合金
• Ni-Ti合金具有形状记忆的特性，微米晶态的Ni-Ti合金在接近室温 时就展现出奇特的形状记忆效应：当温度低于转变温度时进行塑性 变形，然后温度一升高，它就会回复到原始形状。 • 形状记忆效应普遍认为与无扩散马氏体相变有关，即本质上就是热 弹性。热弹性行为归因于母相和马氏体的排序秩序。充分地了解与 马氏体相变相关地机械行为和热行为是必要的。
• （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)。
• （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。
3.4.2 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，但添加量 不能超过4%；否则合金的熔点会提高。银的加入可抵 消铜的颜色。加入少量的锌可降低其熔点，并排除在 熔化过程中形成的氧。不同成分的金合金各有用途。 含金量超过83%的合金较软，用于镶嵌，但其硬度太 低而不能承受太高的压力。金含量少的较硬合金，用 于牙冠和尖端处，可承受较大的压力。
• 应用：
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
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。
• (2)优良的机械性能: • 强度与弹性模量（与生物体匹配） • 耐磨性（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）
表3-4 Ti及Ti合金的机械力学性能(ASTM，F136)
性能
抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 延伸率/% 断面收缩率/%
Ⅰ
240 170 24 30
Ⅱ
345 275 20 30
Ⅲ
450 380 18 30
Ⅴ
550 485 15 25
Ti-6Al-4V
860 795 10 25
• （2）生物相容性：钛及钛合金的缺点是硬度较低，耐磨性差。
种类 CoCrMo 状态 铸态 固溶退火 锻造 退火(ASTM) 退火 冷加工 退火(ASTM) 固溶退火 冷加工时效 退火 冷加工 退火(ISO) 屈服强度 (MPa) 515 533 962 450 350 1310 310 240～655 1585 275 828 276 抗拉强度 (MPa) 725 1143 1507 665 862 1510 860 795～1000 1790 600 1000 600 延伸率(%) 9.0 15.0 28.0 8.0 60.0 12.0 10.0 50.0 8.0 50.0 18.0 50.0 疲劳强度 (MPa) 250 280 897 － 345 586 － － － － － －
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。
医用金属材料
医用金属材料概述 医用金属材料的特性与要求
目 录
常用医用金属材料 医用金属材料的腐蚀 金属与合金表面涂层处理 医用金属材料的研究进展
1 金属Βιβλιοθήκη Baidu入材料
• 定义：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。
316
冷精轧 冷加工 退火态
316L
冷精轧 冷加工
（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-NiCr-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。
•
•
元素 氮 碳 氢 铁 氧 钛
表3.3 Ti金属和Ti合金化学成分组成(以质量分数计)
Ⅰ 0.03 0.10 0.015 0.20 0.18 Ⅱ 0.03 0.10 0.015 0.30 0.25 Ⅲ 0.05 0.10 0.015 0.30 0.35 平衡 Ⅴ 0.05 0.10 0.015 0.50 0.40 Ti-6Al-4V 0.05 0.08 0.0125 0.25 0.13
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材料
表3.1 316和316L不锈钢材料的力学性能
状态 退火态 抗拉强度 /MPa 515 620 860 505 605 860 屈服强度/MPa 205 310 690 195 295 690 延伸率/% 40 35 12 40 35 12 洛氏硬度 /HRB 95 － 300～350 95 － －
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.。
•
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(TiO2)钝化膜，植入后引起 的组织反应轻微。凝胶状态的TiO2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。
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
• (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。
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
•
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。
CoCrWMo CoNiCrMo
CoNiCrMoWF e
• （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。