医用金属材料讲解
第三章医用金属材料
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ห้องสมุดไป่ตู้
3.5 贵金属（noble metal）
是一种金属或合金，如金子具有极高的抗氧 化性和抗腐蚀性。贵金属具有独特稳定的物 理和化学性能、优异的加工特性、对人体组 织无毒副作用、刺激小等优良的生物学性能。 主要用于口腔科的齿科修复，也可用于小型 植入式电子医疗器械。
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3.6 纯金属钽（Ta）
• 具有良好的抗生理腐蚀性和可塑性，独特的表面负电 性使其具有优良的抗血栓性能和生物相容性，还有很 高的抗缺口裂纹能力。植入骨内能和周围的新骨形成 骨性结合；植入软组织中，肌肉等组织可依附在钽条 上正常生长。 • 退火后的纯钽很软，可加工成板、带、箔、丝等使用。 主要用作接骨板、颅骨板、骨螺钉、种植牙根、颌面 修复体、义齿及外科手术缝线和缝合针； 钽网可用 于肌肉缺损修补；钽丝和箔用于缝合修补受损的神经、 肌腱和血管；钽还可以用于血管内支架及人工心脏、 植入型电子装置；钽的同位素可用于放射治疗。只是 12 由于钽的资源少、价格较高，使其推广受很大限制。
4
3.2 钴（Co）基合金
• 含有较高的铬和钼，又称钴铬钼合金，具有极为优 异的耐腐蚀性（比不锈钢高40倍）和耐磨性，综合 力学性能和生物相容性良好，可通过精密铸造成形 状复杂的精密修复体，有硬、中、软三种类型。 • 临床上主要用于
– – – – 人工关节（特别是人体中受载荷最大的髋关节） 人工骨及骨科内处固定器件的制造 齿科修复中的义齿，各种铸造冠、嵌体及固定桥的制造 心血管外科及整形科等
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3.4 形状记忆合金
自1951年美国首次报道Au-Cd（金-镉）合金 具有形状记忆效应以来，目前已发现有20 多种记忆合金，其中以镍钛合金在临床上 应用最大。它在不同的温度下表现为不同 的金属结构相。如低温时为单斜结构相， 高温时为立方体结构相，前者柔软可随意 变形，如拉直式屈曲，而后者刚硬，可恢 复原来的形状，并在形状恢复过程中产生 较大的恢复力。
常用医用金属材料
常用医用金属材料医用金属材料是指在医疗领域中用于制造医疗器械和医疗设备的金属材料。
这些材料必须具备一系列特殊的性能和指标，如生物相容性、耐腐蚀性、机械性能和成本效益等。
下面将介绍一些常用的医用金属材料。
1.钛合金：钛合金是一种轻质且高强度的金属材料，具有良好的生物相容性和耐腐蚀性。
钛合金常用于制造人工关节、植入物和手术工具等。
它的低密度使得患者在植入物置入后减轻了负重感，同时也降低了手术风险。
2.不锈钢：不锈钢是一种耐腐蚀性能强的金属材料，具有优良的物理性能和良好的机械性能。
不锈钢常用于制作手术器械、刀片、支架等。
其中医用不锈钢一般分为316L和316LVM两类，其具有良好的生物相容性和耐腐蚀性能。
3.钴铬合金：钴铬合金是一种强度高且具有良好生物相容性的金属材料。
它常用于制作人工关节、植入物和牙科修复材料等。
钴铬合金的高度抗磨损和优良的耐腐蚀性能使其成为医疗领域中的重要材料。
4.镍钛合金（NiTi）：镍钛合金是一种具有形状记忆效应和超弹性的金属材料。
它可用于制造支架、矫正器和导丝等医疗器械。
镍钛合金具有较好的生物相容性和耐腐蚀性能，以及可调节形状的特点，使其成为一种医学领域中十分重要的材料。
5.铽钢：铽钢是一种常用的医用金属材料，常用于制造手术器械和骨科器械。
铽钢具有较高的硬度和耐磨性，能够满足手术器械对精度和稳定性的要求。
这些金属材料在医疗领域中发挥着重要的作用。
它们不仅具有良好的生物相容性和耐腐蚀性能，还具有较高的机械性能和稳定性。
但需要注意的是，不同的材料适用于不同的医疗器械和设备，医用金属材料的选择必须充分考虑材料的特性和应用环境，遵循相应的标准和规范，以确保材料在医疗应用中的安全性和效果。
总而言之，医用金属材料具有特殊的要求和指标，应用领域广泛。
随着科技的不断进步和医疗技术的不断发展，我们可以期待更多新型的医用金属材料的出现，并在医疗领域中发挥更重要的作用。
生物材料 第03章 医用金属材料
➢ 最后就是不锈钢在人体内表现为生物惰 性，表面无生物活性，植入人体后与周 边肌体组织的结合不牢固，易于松动， 有时会影响植入治疗效果。
➢ 1、引言 ➢ 2、医用不锈钢的特点 ➢ 3、医用不锈钢存在的问题和不足 ➢ 4、医用不锈钢的研究与发展
4.1 医用无Ni奥氏体不锈钢 4.2 医用不锈钢的表面改性 4.3 抗菌不锈钢
学性能；
➢ 从近年来新修订的国际标准IS05832- 9 (低N i+ N医用 奥氏体不锈钢, 对应美国标准ASTM F1586 ) 中可见, 利用N 元素来代替不锈钢中的部分Ni元素, 可显著提 高不锈钢的力学性能和耐腐蚀性能；
➢ 对比研究高N 无N i不锈钢和医用Co-Cr-Mo 合金 ( Co62-Cr28-M o6, 余为N i等)的力学性能和生物学性 能表明, 高N 无Ni不锈钢的力学性能与Co-Cr-M o合金 相近, 而其耐点蚀性能和血液相容性明显优于钴铬钼 合金, 表现出更高的点蚀点位、更长的动态凝血初凝 时间(高出约25% )和更佳的抗血小板黏附性能；
金属生物材料浸泡在体液中，而体液 含有蛋白质、有机酸(如乳酸) 、碱金属 和无机盐等。
➢ 钠、钾、钙、氯等离子均为电解质，可使金 属产生腐蚀。
➢ 蛋白质与金属间相互作用, 引起非电化学降解。
➢ 金属的不纯产生局部原电池腐蚀, 或结合处磨 损、应力集中和疲劳性断裂。
临床应用金属生物材料腐蚀问题应重点关注 口腔材料和其他种植体材料。
4.1 医用无Ni奥氏体不锈钢
➢ 在1994年颁布的欧洲议会94/27/EC标准中 , 要求植入 人体内的材料(植入材料、矫形假牙等)中的Ni含量不 应超过0.05%；
➢ 研究开发医用低Ni和无Ni奥氏体不锈钢已经成为国际 上医用不锈钢的一个主要发展趋势。其原理是利用廉 价的N 元素(或N和Mn的共同作用)代替不锈钢中昂贵 的Ni元素来稳定不锈钢的奥氏体组织结构, 从而使不 锈钢继续保持其优异的力学性能、耐腐蚀性能和生物
生物医用金属材料
PART TWO
生物医用金属材料的性能要求
有极好的耐腐蚀 性能，无磁性
具有良好的光洁度
有足够的力学强 度和抗疲劳性能
必须无毒、无过 敏性与过敏反应
材料易于制造， 价格适当
PART THREE
常用的生物医用金属材料
1.不锈钢
优点：（1）价格便宜 （2）易于通过常规技术成型 （3）力学性能在较大的范围内可控，能提供最佳的强度和韧性
生物医用金属材料
目录
COMPANY
01 生物医用金属材料的概念 02 生物医用金属材料的性能要求
03 常用的生物医用金属材料
PART ONE
生物医用金属材料的概念
生物医用金属材料是指一类用作生物材料的金属或合 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、牙科等领域，具有治 疗、修复固定和置换人体硬组织系统的功能。
5.其他生物医用金属材料
优点：良好的稳定性和加工性能 缺点：价格较贵，广泛应用受到限制
THANK YOU！
PART THREE
常用的生物医用金属材料
3.钛及钛合金
优点：（1）具有良好的耐腐蚀性 （2）不会生锈，且具有生物相容性 （3）无毒、质轻、强度高、耐高温低
温 缺点：钛由于磨损问题，钛不宜作为人工关节Байду номын сангаас滑动部件，可通过离子注入和氮化等方法，可 改进钛的耐磨性。
钛合金人造骨
4.形状记忆合金
优点：（1）较硬富有弹性，可起到矫形或支撑作用 （2）具有优良的生物相容性、耐腐蚀性、耐磨性、无毒性
缺点：耐腐蚀性不够，不宜在体内长时间使用
2.钴基合金
钴基合金主要包括Co-Cr-Mo合金和Co-Ni-Cr-Mo合金。 优点：（1）良好的耐腐蚀性能
医用金属材料材料知识简介
医用金属材料
一、材料 二、医用金属材料 三、常用医用金属材料
材料？
材料的分类
按成分 按来源 按用途 按使用领域
金 属 材 料
无 机 非 金 属 材 料
有 机 高 分 子 材 料
复 合 材 料
天 然 材 料
人 工 材 料
结 构 材 料
功 能 材 料
信 息 材 料
能 源 材 料
建 筑 材 料
应 用
器 械
骨 科 植 入 物
牙 科 矫 形 或 植 入
心 血 管 支 架
……
常用医用金属材料
贵金属
单质金属
常见医用 金属材料
不锈钢
钴基合金
钛合金 镍钛形状 记忆合金
……
无害化 良好的生物相容性 发展趋势 低弹性模量 可降解
常用医用金属材料—钛合金
应用 广泛 ？
目前已知的生物亲和性最好的金属之一
使用性能（效能）
合成/制备 结构/成分
性质（性能）
材料—金属材料
铁 黑色金属 铁基合金 铸铁 碳素钢 钢 金 …… 有色金属 钛 合金钢 低合金钢 中合金钢 中碳钢 高碳钢
低碳钢
金属 材料
钽
铌 ……
高合金钢
合金结构钢 不锈钢
耐酸刚
……
材料—金属材料
定义：金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料！
14种布拉非空间点阵
材料—金属材料
元素周期表中一共约有110种元素，其中80多种是金属，占2/3。 这80多种金属的晶体结构大多数属于三种典型的晶体结构
体心立方晶格
面心立方晶格
密排六方晶格
材料—金属材料
单晶体 结晶方位完全一致 •不同晶面和晶向的力学性能不同——各向异性 多晶体
生物医用金属材料
生物医用金属材料生物医用金属材料是指用于医疗器械、植入物和医疗设备的金属材料。
它们具有良好的生物相容性、机械性能和耐腐蚀性能，能够在人体内长期稳定存在，并且不会对人体组织产生毒性或过敏反应。
生物医用金属材料在医疗领域中起着重要作用，广泛应用于骨科、牙科、心脏血管介入治疗、人工关节等领域。
生物医用金属材料主要包括钛合金、不锈钢、镍钛合金等。
钛合金具有优异的生物相容性、机械性能和耐腐蚀性能，被广泛应用于骨科植入物、牙科种植体等领域。
不锈钢具有良好的机械性能和耐腐蚀性能，常用于制作医疗器械和手术器械。
镍钛合金具有记忆效应和超弹性，被广泛应用于心脏血管支架、牙科器械等领域。
生物医用金属材料的表面处理对其生物相容性和耐腐蚀性能具有重要影响。
常见的表面处理方法包括机械抛光、酸洗、阳极氧化、喷砂等。
这些表面处理能够提高金属材料的表面光洁度、附着力和耐蚀性，从而提高其在人体内的生物相容性和耐久性。
生物医用金属材料的制备工艺包括粉末冶金、熔融冶金、电化学沉积等。
粉末冶金是制备生物医用金属植入物的常用方法，通过粉末冶金可以制备出具有良好生物相容性和机械性能的金属材料。
熔融冶金是制备生物医用金属器械和医疗设备的常用方法，通过熔融冶金可以制备出具有良好耐蚀性和机械性能的金属材料。
电化学沉积是制备生物医用金属表面涂层的常用方法，通过电化学沉积可以在金属表面形成具有良好生物相容性和耐蚀性的涂层。
生物医用金属材料的应用前景十分广阔，随着人们对健康的重视和医疗技术的不断进步，生物医用金属材料将会在医疗领域中发挥越来越重要的作用。
未来，生物医用金属材料将不断推陈出新，为人类健康事业作出更大的贡献。
总之，生物医用金属材料具有重要的应用价值和发展前景，对于提高医疗器械和植入物的性能，改善医疗治疗效果，保障患者的健康具有重要意义。
希望通过对生物医用金属材料的深入研究和开发，能够为人类的健康事业做出更大的贡献。
医用金属材料
医用金属材料医用金属材料是指在医疗领域中用于制造医疗器械和植入物的金属材料。
这些材料通常需要具备良好的生物相容性、机械性能和耐腐蚀性能，以满足医疗器械和植入物在人体内的使用要求。
医用金属材料的研究和应用对医疗行业的发展具有重要意义。
首先，医用金属材料的选择至关重要。
常见的医用金属材料包括不锈钢、钛合金、镍钛合金等。
这些材料具有良好的机械性能和耐腐蚀性能，能够满足医疗器械和植入物在人体内的使用要求。
在选择医用金属材料时，需要考虑材料的生物相容性、强度、刚度、耐磨性、加工性能等因素，以确保材料能够满足医疗器械和植入物的设计要求。
其次，医用金属材料的表面处理对其性能和生物相容性具有重要影响。
表面处理可以改善材料的生物相容性、耐腐蚀性能和机械性能，提高医疗器械和植入物的使用寿命和安全性。
常见的表面处理方法包括阳极氧化、喷砂、化学镀膜等，这些方法能够有效改善医用金属材料的表面性能，满足医疗器械和植入物的临床应用要求。
此外，医用金属材料的研究和开发对于医疗器械和植入物的创新具有重要意义。
随着医疗技术的不断发展，对医用金属材料的要求也在不断提高。
未来，医用金属材料需要具备更好的生物相容性、更高的强度和更好的耐磨性，以满足不断变化的医疗需求。
因此，医用金属材料的研究和开发需要不断创新，引入新的材料和加工技术，以满足医疗器械和植入物的需求。
总的来说，医用金属材料在医疗领域中具有重要作用。
选择合适的医用金属材料、进行有效的表面处理以及不断创新的研发是保障医疗器械和植入物质量和安全性的关键。
医用金属材料的研究和应用将继续推动医疗行业的发展，为人类健康事业作出重要贡献。
医用金属材料ppt课件
1
1 医用金属材料应用中的理论基础 2 医用金属材料的发展史
录目 3 常见医用金属材料及其特点
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医用金属材料表面改性和生物 镀膜
1 人体内化学环境简述 2 人体内腐蚀类型 3 医用金属材料需满足的条件
1 医用不锈钢 2 医用钴基合金 3 医用钛合金 4 医用镁合金 5 医用贵金属和钽、铌、锆等金属
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3.2 医用钴基合金
“ 医用钴基合金也是医疗中
常用的医用金属材料,相对不 锈钢而言,医用钴基合金更适 合于制造体内承载条件苛刻 的长期植入件。但是由于钴 基合金价格较贵 ,并且合金中 的Co、Ni元素存在着严重致 敏性等生物学问题, 应用受到 一 定的限制 ,近些年通过表面 改性技术来改善钴基合金的 表面特性,有效提高了其临床 效果 。
不锈钢中镍离子析出诱发的严重病
不锈钢主要应用于骨骼系统的置换
变。316L不锈钢植入人体后有时会
和修复方面,此外在齿科、心脏外科、
产生缝隙腐蚀或摩擦腐蚀以及疲劳
心血管植入支架等方面也得到应用。 奥氏体不锈钢 ,特别是316和 316L 不锈钢 ,具有比其他不锈钢更 好的抗蚀性能,316L 不锈钢是制作 医用人工关节常用金属材料 ,主要 用作关节柄和关节头。
”
钛合金髋关节
“ 医用钛合金的综合力学性 能与工艺性能有了显著的改进 和提高 ,并去掉了对人体有毒 性的V元素。新型（α+β）钛 合金Ti-15Zr系和Ti-15Sn系合 金则同时去掉了V 和Al。近年 来开发出的一些新型钛合金， 主要是β型合金 ,则都注重减少 了对人体有一定危害的元素， 有效地改善了钛合金的生物相 容性。
晶间腐蚀
晶间腐蚀 3 4 应力腐蚀
应力腐蚀
生物医用金属材料
生物医用金属材料
生物医用金属材料是一种在医学领域中被广泛应用的材料，它具有良好的生物
相容性和机械性能，被广泛应用于人体植入物、医疗器械和医疗设备等方面。
生物医用金属材料主要包括钛合金、不锈钢和镍钛合金等，它们在医疗领域中扮演着重要的角色。
首先，钛合金是目前应用最广泛的生物医用金属材料之一。
它具有良好的生物
相容性和抗腐蚀性能，可以用于制作人工关节、牙科种植体、骨板和骨螺钉等植入物。
钛合金的机械性能优异，具有良好的强度和韧性，能够满足人体内长期受力的要求。
因此，在骨科和牙科领域，钛合金得到了广泛的应用。
其次，不锈钢也是一种常用的生物医用金属材料。
不锈钢具有良好的机械性能
和耐腐蚀性能，可以用于制作心脏起搏器、支架、手术器械等医疗器械。
不锈钢制成的医疗器械表面光滑，易于清洁和消毒，能够有效预防感染和减少并发症的发生。
因此，不锈钢在医疗器械领域中得到了广泛的应用。
此外，镍钛合金是一种具有记忆效应的生物医用金属材料。
镍钛合金可以根据
温度和应力发生形状记忆和超弹性效应，可以用于制作血管支架、牙齿矫正器等医疗器械。
镍钛合金具有良好的生物相容性和耐腐蚀性能，能够在人体内长期稳定地发挥作用。
因此，在心血管和牙科领域，镍钛合金得到了广泛的应用。
总的来说，生物医用金属材料在医学领域中发挥着重要的作用，它们具有良好
的生物相容性和机械性能，能够满足医疗器械和植入物的要求。
随着医学技术的不断发展，生物医用金属材料的应用范围将会进一步扩大，为人类健康事业做出更大的贡献。
医用金属材料材料知识简介
元素周期表中一共约有110种元素，其中80多种是金属，占2/3。 这80多种金属的晶体结构大多数属于三种典型的晶体结构 体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格
单晶体
多晶体
结晶方位完全一致 不同晶面和晶向的力学性能不同——各向异性
物质晶体内部包含了多个小晶体，小晶体内部 结晶方位完全一致，而各小晶体之间位向不一 致，小晶体称为“晶粒”，晶粒与晶粒之间的边界 称为“晶界”，这种晶体就是多晶体 多晶体具有各向同性的性质
4
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。
5
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，
6
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
7
高的比强度
8
优异的耐腐蚀性能
9
应用
常用医用金属材料—钛合金
钛合金 分类
α钛合金
β钛合金
α +β钛合金
常用医用金属材料—钛合金
发展趋势
长期用于人体会析出极微量的V和Al离子，降低 细胞适应性，造成骨质疏松和精神紊乱等病症； 弹性模量与骨相比仍有较大差距，容易产生“应 力屏蔽”，从而导致种植体周围出现骨吸收，最终引 起种植体的松动或断裂而导致种植失败。
常用医用金属材料—合金
Ti6Al4V
Ti6Al7Nb Ti5Al2.5Fe ……
医用金属材料
PART 1
医用金属材料
材料
医用金属材料
常用医用金属材料
材料？
PART 1
物质≠材料
定义：宇宙间可用于制造有用物品的固态物质统称为材料 有用的、并能用来制造物品（件）的物质 一般指固态的，可用于工程上的物质——工程材料 作为材料科学研究对象的材料则主要是那些制造器件或物品的人造物质
医用金属材料
医用金属材料医用金属材料是指在医疗领域中使用的具有一定特殊性能和特点的金属材料。
由于医疗器械和人体接触时间较长，因此医用金属材料必须具备生物相容性、耐腐蚀性、高强度和耐疲劳性等特点，以确保其安全可靠地应用于医疗领域。
首先，医用金属材料必须具备良好的生物相容性。
生物相容性是指材料与生物组织之间能良好相容并无毒、无刺激、不致敏的特性。
许多金属材料，如不锈钢、钛合金等，由于其化学稳定性好、无毒、无致癌物质释放等特点，被广泛应用于医疗器械制造和人体植入物。
其次，医用金属材料还需要具备良好的耐腐蚀性。
医疗器械和人体植入物经常接触体液及其他腐蚀性物质，因此金属材料必须具有良好的耐腐蚀性，以防止材料的腐蚀、溶解和离子释放，对人体造成伤害。
此外，医用金属材料需要具备高强度和耐疲劳性。
医疗器械经常需要承受一定的压力和力量作用，因此金属材料必须具备足够的强度和耐疲劳性，以保证其能够承受长期使用和反复负荷的要求。
目前，医用金属材料主要包括不锈钢、钛合金、镍钛记忆合金等。
不锈钢具有良好的耐腐蚀性和机械性能，常用于制作医疗器械和外科手术刀具。
钛合金具有较好的生物相容性和耐腐蚀性，广泛应用于人体植入物制造，如人工关节、牙科种植物等。
镍钛记忆合金则因其特殊的形状记忆效应和超弹性特性，被用于制作有形状变化需求的医疗器械，如血管支架、牙箍等。
总之，医用金属材料是医疗领域中不可或缺的重要材料。
具备良好的生物相容性、耐腐蚀性、高强度和耐疲劳性等特点，确保医疗器械和人体植入物在应用过程中的安全性和可靠性。
未来，随着科技的进步和医疗需求的不断提高，医用金属材料的研究和发展将持续推进，为医疗领域带来更多创新和突破。
第3章医用金属材料
5. 晶间腐蚀
发生在材料内部晶粒边界上的一种腐蚀，可导致材料力 学性能严重下降。一般可通过减少碳、硫、磷等杂质含量等 手段来改善晶间腐蚀倾向。
6. 磨蚀
植入器件之间切向反复的相对滑动所造成的表面磨损和 磨蚀环境作用所造成的腐蚀。不锈钢的耐磨蚀能力较差，钴 基合金的耐磨蚀能力优良。
金属材料的毒性
毒性反应与材料释放的化学物质和浓度有关。因此，若在 材料中需引入有毒金属元素来提高其他性能，首先应考虑采用 合金化来减小或消除毒性，并提高其耐蚀性能；其次采用表面 保护层和提高光洁度等方法来提高抗蚀性能。
金属的毒性主要作用于细胞，可抑制酶的活动，阻止酶 通过细胞膜的扩散和破坏溶酶体，一般可通过组织或细胞培 养、急性和慢性毒性试验、溶血试验等来检测。
620
310
35
－
冷加工
860
690
12
300～350
退火态
505Biblioteka 1954095
316L 冷精轧
605
295
35
－
冷加工
860
690
12
－
不锈钢中的铬（Cr）可形成氧化铬钝化膜，改善抗腐蚀 能力；镍（Ni）和铬（Cr）起到稳定奥氏体结构的作用；镍
的含量为12%～14%时，可得到单相奥氏体组织，防止转化为
第3章 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
常用医用金属材料
录
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 金属植入材料
医用金属材料讲解
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.。
• （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。
•
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。
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 － － － － － －
第四章医用金属材料
2） 合金元素对Fe电极电位的影响
一般讲，金属固溶体的电极电位比化合物低，所以在腐蚀过 程中，金属固溶体作为阳极被优先腐蚀。 1）提高Fe基体的电极电位可提高耐蚀性 2） Cr对Fe基体的电极电位影响的n/8规律（ Tammann定律） Fe基固溶体的电极电位随Cr含量达到Cr/Fe原子比的 1/8,2/8,3/8…n/8时，Fe的电极电位会发生跳跃式升高，腐 蚀显著减弱的现象。
疲劳强度(MPa)
1） 奥氏体不锈钢的成分和组织特点
奥氏体不锈钢的主要成分是Cr和Ni，18Cr和8Ni 的配合是世界各国奥氏体不锈钢的典型成分。
Cr+Ni= 18+8=26
耐蚀性达到 较高的水平. Cr、Ni再↑, 更为优良
耐蚀电位接近n/8定 律中n=2的电位值
具有良好钝化性能
单相奥氏体组织
Ti、Nb:稳定K，↑抗晶间腐蚀的能力； Mo: ↑不锈钢钝化作用，↓点腐蚀倾向， ↑钢在有机酸中的耐蚀性； Cu: ↑钢在硫酸中的耐蚀性； Si: ↑钢抗应力腐蚀断裂的能力。 平衡态时为奥氏体+铁素体+碳化物组织， 经过固溶处理后获得了单相奥氏体。
515 533 962 450 350 1310 310 240～655 1585 275 828 276
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
医用金属材料
• (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
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.。
• 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）
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 － － － － － －
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• 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。
•
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 － －
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 － － － － － －
• 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。
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.。
• 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）
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。
•
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）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)。
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。
• （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。
• (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
•
•
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
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
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。
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。