第三章医用金属材料
常用医用金属材料
常用医用金属材料生物医用金属材料又称医用金属材料或外科用金属材料，当生物医用金属材料广泛被用于植入材料时，长期的实用性与安全性便成为了对医用金属材料的第一要求。
下文为大家具体介绍了钛基、钴基、镁基、锆基、锌基、铝合金以及不锈钢、钨、贵金属等生物医用金属材料的研究与应用进展。
生物医用金属材料是在生物医用材料中使用的合金或金属，属于一类惰性材料，具有较高的抗疲劳性能和机械强度，在临床中作为承力植入材料而得到广泛应用。
在临床已经使用的医用金属材料主要有钴基合金、钛基合金、不锈钢、形状记忆合金、贵金属、纯金属铌、锆、钛、钽等。
不锈钢、钴基合金和钛基合金具有强度高、韧性好以及稳定性高的特点，是临床常用的3类医用金属材料。
随着制备工艺和技术的进步，新型生物金属材料也在不断涌现，例如粉末冶金合金、高熵合金、非晶合金、低模量钛合金等。
一、性能要求生物医用金属材料一般用于外科辅助器材、人工器官、硬组织、软组织等各个方面，应用极为广泛。
但是，无论是普通材料植入还是生物金属材料植入都会给患者带来巨大的影响，因而生物医用金属材料应用中的主要问题是由于生理环境的腐蚀而造成的金属离子向周围组织扩散及植入材料自身性质的退变，前者可能导致毒副作用，后者常常导致植入的失败。
因此，生物医用金属材料除了要求具有良好的力学性能及相关的物理性质外，优良的抗生理腐蚀性和生物相容性也是其必须具备的条件。
生物医用金属材料的性能要求：(1)机械性能。
生物医用金属材料一般应具有足够的强度和韧性，适当的弹性和硬度，良好的抗疲劳、抗蠕变性能以及必需的耐磨性和自润滑性。
(2)抗腐蚀性能。
生物医用金属材料发生的腐蚀主要有：植入材料表面暴露在人体生理环境下发生电解作用，属于一般性均匀腐蚀；植入材料混入杂质而引发的点腐蚀；各种成分以及物理化学性质不同引发的晶间腐蚀；电离能不同的材料混合使用引发的电偶腐蚀；植入体和人体组织的间隙之间发生的磨损腐蚀；有载荷时，植入材料在某个部位发生应力集中而引起的应力腐蚀；长时间的反复加载引发植入材料损伤断裂的疲劳腐蚀，等等。
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
6
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。
医用金属材料
在人体血液的浸泡环境中具有优异的耐腐蚀性，保 5 证了与人体血液及细胞组织的相容性好，作为植入 抗腐蚀性 物不产生人体污染，不会发生过敏反应。
6 长期留置于人体内，会受到人体的弯曲、扭转、挤 强度高、韧 压、肌肉收缩力等作用，要求植入物具有高的强度 和韧性。钛合金，完全可以满足人体植入物的要求。 性好
钛制金属件（有上百种）:
股骨头 肩关节 肘关节 假体 夹板 掌指关节 髋关节 肾辨膜 血管 扩张器 颌骨 心辨膜 肱骨 膝关节 紧固螺钉
颅骨
钛合金人造骨
骨折不愈， 钢板螺钉松 钢板 动。术后9 年左上臂再 次外伤，外 院进行钢板 取出外固定 架固定＋植 骨术。
术后6个月，钛人工骨完全吸收，骨折愈合，患者左上臂 钛 活动恢复正常
电解质溶 液
电化学腐蚀的基本规律对人体环境 中的植入材料的腐蚀完全适用。
人体环境可能发生的腐蚀形式：
均匀腐蚀 点腐蚀 电偶腐蚀
缝隙腐蚀 磨损腐蚀 腐蚀疲劳
还有其他的腐蚀形式，如晶间腐蚀（不锈钢最易 发生的腐蚀形式）、应力腐蚀、微动腐蚀等。
均匀腐蚀
均匀腐蚀是指接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐 蚀的现象 。大面积发生，以金属离子形式进入人体 组织里的量还是相当可观，影响生物相容性，增加 病人的痛苦甚至危及生命。
不锈钢
良好的耐腐蚀 性能和综合力 学性能,且加 工工艺简便
形状记 忆合金
较硬富有弹性,可起到 矫形或支撑作用.其优 良的生物相容性、耐 腐蚀、耐磨性、无毒。
耐腐蚀和力学性能 综合衡量,它是最优 良的材料之一
钴基 合金
医用金属材料在诸多生物材料 中 ,由于具有较高强度和韧性 , 适用于修复和置换人体硬组。.
研发现状：
据报道，世界上每年有近千吨医用型钛及钛合金材料用于制 造人体植入物，其中 80%的是Ti-6Al-4V钛合金。 随着医用型 Ti-6Al-4V钛合金应用发展，开发出具有高断裂韧性 ，低裂纹扩展的低间隙元素型Ti-6Al-4V ELI钛合金。
医用金属材料讲解45页PPT
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
医用金属材料讲解
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法，甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
医用金属材料共44页
•
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）
• (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
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
• 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
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。
生物医用金属材料PPT
3D打印技术是一种新兴的制造技术，通过逐层堆积材料的方式构建三维实体。在生物医用金属材料的 制备中，3D打印技术可用于快速原型制造、个性化医疗器械制造等领域。通过3D打印技术，可以制 造出具有复杂形状和结构的金属器件，满足个性化医疗的需求。
04
生物医用金属材料的表面 改性
物理改性
表面涂层
表面接枝
通过化学反应在金属表面接枝有机分 子或聚合物，改善表面的润湿性、细 胞亲和性和抗凝血性能。
生物改性
生物活性物质涂层
将生物活性物质如生长因子、骨形成蛋白等与高分子材料结合，形成具有生物活性的涂 层，促进骨愈合和组织再生。
细胞培养
将细胞种植在金属表面，通过细胞与材料的相互作用，改善材料的生物相容性和组织再 生能力。
3
新兴市场国家经济的快速发展和医疗保健体系的 不断完善也为生物医用金属材料市场带来巨大的 增长潜力。
06
生物医用金属材料的挑战 与展望
技术挑战
加工难度
材料性能的稳定性
生物医用金属材料往往需要精细的加工技 术，以确保材料的形状、尺寸和表面质量 满足医疗应用的需求。
生物医用金属材料需要在复杂的环境中保 持其性能的稳定性，例如在人体内的高温 、高湿和富氧的环境中。
切削加工法
总结词
通过切削工具对金属材料进行加工成型的工艺。
详细描述
切削加工法是一种传统的金属加工工艺，通过切削工具对金属材料进行加工， 以获得所需的形状和尺寸。在生物医用金属材料的制备中，切削加工法常用于 制造小型、精密的金属器件，如手术器械和医疗器械等。
3D打印技术
总结词
通过逐层堆积材料的方式构建三维实体的技术。
05
生物医用金属材料的市场 分析
生物医用材料
生物无机与有机高分子复合材料
❖ 几乎所有的生物体组织都是由两种或两种 以上的材料构成的
例如人体中的骨骼和牙齿可看作由胶原蛋白、 多糖基质等高分子构成的连续相和弥散于中 的羟基磷灰石晶粒复合而成。
❖ 利用高弹性模量的无机材料增强高分子材 料的刚性，并赋予其生物活性
❖ 利用高分子材料的可塑性增进生物无机材 料的韧性。
共聚调控降解时间
聚羟基丁酸酯PHB及其共聚物 可生物降解，用于药物释放载体和组织工程 多糖和蛋白质是自然界中重要的天然高分子，具有很好的生
物相容性、可降解性和低毒性，
聚原酸酯(Polyorthoesters,POE）
POE是通过多元酸或多元原酸酯与多元醇类 经无水条件下缩合形成原酸酯键而制成。
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。
常用的医用金属材料
❖ 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。
要方法)a.热喷涂b.脉冲激光融覆c.离子溅射d.喷 砂法e.电结晶法f.电化学法g.离子注入
医用金属材料研究进展
医用镁及镁合金材料的研究 镁合金具备作为可降解骨植入材料的多方面优点：
(1) 镁是人体内含量最多的阳离子之一，几乎参 与人体内所有的新陈代谢过程。
(2) 镁及镁合金的弹性模量约为45GPa，更接近 人骨的弹性模量，能有效降低应力遮挡效应； 镁与镁合金的密度约为1.7g/cm3，与人骨密度 (1.75g/cm3)接近，符合理想接骨板的要求。
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。
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
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冷加工
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－
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
4
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
10
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
《材料化学导论》第三章金属材料第一节金属键 第三章 金属材料
第三章金属材料在一百多种化学元素中，金属大约占80%。
金属材料具有许多宝贵的机械－力学、物理、化学性能，是迄今为止使用最为广泛且用量最多的一种材料。
3.1 金属键金属呈现特有的金属光泽，不透明，是电与热的良导体，具有延性和展性，比重大，强度高，可以焊接和形成合金。
金属的性能是其特定结构的外在反映。
由金属从单原子气态生成液态或固态时所释放出相当大的能量，可以断定金属原子在液态或固态中的相互结合力不是一般原子间的范德瓦耳斯力，而是一种相当强的化学键。
它又是由电负性小的同类原子所组成，从而也排除生成离子键的可能性。
X射线衍射测定结果表明，金属材料中每个金属原子与周围8至12个同等或接近同等距离的原子相紧邻，而每个金属原子的价电子层中只有少数的价电子，显然以这少数价电子来生成8至12个通常的共价键也是难以想象的。
因此，就需要另外提出“金属键”（metallic bond），即使金属原子结合成金属相互作用的模型。
一、“自由电子”模型金属晶体中，金属原子外层价电子受原子核束缚较弱，即电离能低，很容易失去这些价电子而形成正离子和自由电子。
所谓自由电子是指被电离的电子不再束缚于某一原子，而在整个晶体内“自由”运动。
正离子整体共同吸收自由电子而结合在一起。
自由电子就像胶泥似地将许多排列整齐的正离子胶合在一起。
自由电子在金属中的活动范围很大，因此可将金属看成是自由电子气和沉浸在其中的正离子的结合体。
这就是金属键的“自由电子”模型。
用量子力学处理金属键的自由电子模型，就相当于一个三维势箱问题。
在“箱”中的电子可近似作为平动子在整个晶体中作较自由的运动，但在总体上还受由正离子组成的电场所束缚。
由于金属中电子离域范围很大，将会产生很显著的能量降低效应，便成为金属键能的起源。
要指出的是，金属键和离域π键是不很相同的：参与离域π键的原子数一般是有限的，且离域电子的活动范围是沿二维空间，即平面伸展的；而参与金属键的原子数量则是很大的，且离域电子活动范围是沿三维空间伸展的。
医用金属材料材料知识简介
常用医用金属材料—不锈钢
马氏体不锈钢
•元素：Wcr=12%~19% •室温金相组织：回火马氏体，可热处理强化 •优点：在氧化性介质（水蒸气、大气、海水等）中耐蚀性 较好； •缺点：在非氧化性介质中（各类酸碱溶液中）不能获得良 好的钝化状态，耐蚀性很低 •用途：1）耐蚀构件；2）医疗器械等
常用医用金属材料—不锈钢
高的比强度 优异的耐腐蚀性能
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
较低的弹性模量（110GPa）
常用医用金属材料—钛合金
α钛合金 钛合金 分类 β 钛合金
医用金属材料
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—定义
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
物质≠材料
常用医用金属材料—不锈钢
奥氏体不锈钢——医疗应用 302（12Cr18Ni9）
Wc＜0.12%
Wc＜0.08%，加Mo，Mo能够改善在 电解质溶液中的耐腐蚀性能
316（06Cr17Ni12Mo2） 316L（022Cr17Ni12Mo2）
Wc＜0.0+β
钛合金
主要加入合金元素：Al、V、Mo、Cr 可热处理强化、强度高、塑性好 具有良好的热强性、耐蚀性和低温韧性 医用常见牌号：TC4、TC4 ELI
ELI？
Extra Low Interstitial 超低间隙原子 氧、氮、碳、氢间隙元素含量特别低的钛合金 间隙元素含量的一般要求为：O≤0.13 wt％， N≤0.03 wt％， C≤0.08 wt％， H≤0.015 wt％
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。
第三章医用金属材料教程
常用医用金属材料
3.3.3 钛和钛合金
1）分类、组成和性能
Ti为难熔稀有金属，熔点1762℃，密度小、比强度高； Ti合金的强度可达到很高的水平，比强度是不锈钢的3.5 倍； Ti与氧反应形成的氧化膜致密稳定，有很好的钝化作用， 具有很强的耐蚀性。 在生理环境下，Ti合金的均匀腐蚀很小，不会发生 点蚀、缝隙腐蚀和晶间腐蚀。 Ti合金的磨损与应力腐蚀较明显。
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 － －
316
冷精轧 冷加工 退火态
316L
冷精轧 冷加工
3.3
常用医用金属材料
3.3.2 Co基合金 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，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
3.3
常用医用金属材料
3.1 医用金属材料概述
• 该材料是临床应用最广泛的承力植入材料，由于有较 高的强度和韧性，已成为骨和牙齿等硬组织修复和替 换、心血管和软组织修复以及人工器官制造的主要材 料。 • 化学周期表中的大部分金属不符合生物材料的要求， 仅有小部分或经处理过的可用于临床。目前在临床使 用的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合 金三大类，另外还有记忆合金、贵金属以及纯金属钽 、铌和锆等。
CoNiCrMoWF e
3.3
常用医用金属材料
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7. 疲劳腐蚀 材料在腐蚀介质中承受某些应力的循环作用所产生的腐蚀，表面微裂纹和缺陷可使疲劳腐蚀加剧。因此，
提高表面光洁度可改善这一性能。
8. 应力腐蚀
在应力和腐蚀介质共同作用下出现的一种加速腐蚀的行为。在裂纹尖端处可发生力学和电化学综合作用， 导致裂纹迅速扩展而造成植入器件断裂失效。钛合金和不锈钢对应力腐蚀敏感，而钴基合金对应力腐蚀不敏 感。
晕船药（铈） 抗贫血药物（铈、氧化锗） 糖尿病（氧化铈） 精神病（磷酸锂）
去垢剂（硒） 止血剂（皓） 消毒剂（碲） 安眠剂（铷 铯） 癌症（铂铬合金）
金属植入材料
生物医用金属材料： 优良的力学性能、易加工性和可靠性在临床医学中获得了广泛的应用，其重要性及生物医用高 分子材料并驾齐驱，在整个生物医用材料应用中各占45%左右。
（2）电化学腐蚀 金属表面及介质如潮湿空气或电解质溶液等，因形成微电池，金属作为阳极发生氧化而使金属发生 腐蚀。这种由于电化学作用引起的腐蚀称为电化学腐蚀。
电化学腐蚀的例子：
铜板上的铁铆钉为什么特别容易生锈？
带有铁铆钉的铜板若暴露在空气中，表面被潮湿空
气或雨水浸润，空气中的
和海边空气中的
NaCl溶解其中，形成电解质溶液，这样组成了原电池，
第三章医用金属材料
目录
1
医用金属材料概述
2
医用金属材料的特性与要求
3
常用医用金属材料
4
医用金属材料的腐蚀
5
金属与合金表面涂层处理
6
医用金属材料的研究进展
生物医用金属材料
1）用于口腔、矫形外科等硬材料 如镶牙 口腔整矫 人工关节 人工 骨 2）用于医疗器械（心脏瓣膜支架、凝血过滤器（合金） 3）用于制药
加速：蛋白质、酶和细胞的作用 磨损和应力的反复作用，使材料在体内的磨损过程加剧
腐蚀机制：可能发生多种腐蚀机制协同作用 因此，有必要了解材料在体内环境的腐蚀机制，从而指导材料的设计和加工。
金属植入材料的腐蚀 金属腐蚀分两类： （1）化学腐蚀 金属表面及介质如气体或非电解质液体等因发生化学作用而引起的腐蚀，称为化学腐蚀。化学腐蚀 作用进行时无电流产生。
金属植入材料腐蚀研究 腐蚀电势及关系图
缺点：不能确定腐蚀速率
腐蚀区：大于等于10-6 稳定区：小于10-6M 钝化区： 10-6M
金属、水、反应产物平衡
金属植入材料腐蚀研究
腐蚀速率： 腐蚀失重及离子释放速率
金属植入材料腐蚀研究 离子释放速率
常见的金属植入材料
最早的植入材料 不锈钢302 临床问题：耐蚀性很差
3. 电偶腐蚀 发生在两个具有不同电极电位的金属配件偶上的腐蚀。多见于两种以上材料制成的组合植入器件，甚至在加工
零件过程中引入的其他工具的微粒屑，以及为病人手术所必须使用的外科器械引入的微粒屑，也可能引发电偶腐蚀 。因此，临床上建议使用单一材料制作植入部件以及相应的手术器械、工具。
4. 缝隙腐蚀 由于环境中化学成分的浓度分布不均匀引起的腐蚀，属闭塞电池腐蚀，多发生在界面部位，如接骨板和骨螺
铜作阴极，铁作阳极，所以铁很快腐蚀形成铁锈。
CO2,SO2
生物金属材料在人体生理环境下的腐蚀主要有八种类型： 1. 均匀腐蚀
化学或电化学反应全部在暴露表面上或在大部分表面上均匀进行的一种腐蚀。腐蚀产物及其进入人体环境中的 金属离子总量较大，影响到材料的生物相容性。
2. 点腐蚀 点腐蚀发生在金属表面某个局部，也就是说在金属表面出现了微电池作用，而作为阳极的部位要受到严重的 腐蚀。临床资料证实，医用不锈钢发生点蚀的可能性较大。
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。
金属植入材料的腐蚀
腐蚀的发生是一个缓慢的过程，其产物对生物机体的影响决定植入器件的使用寿命。
腐蚀主要原因：医用金属材料植入体内后处于长期浸泡在含有机酸、碱金属或碱土金属离子（、、2+）、离子 构成的恒温（37℃）电解质的环境中
金属植入材料
公元前400～300年，金属丝用于修复牙缺失； 唐代 ：银膏补齿，成分是银、汞和锡，及银汞合金很相似。
应用
最先广泛应用于临床治疗：金、银、铂等贵金属，但以修补为主，良好化学稳定性及加工性能的
最早作为植入材料：不锈钢（标准牌号302）18-8 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。
问题：
磨损
金属植入材料
W
体液腐蚀
B2 细胞功能 有益
腐蚀及磨损 金属材料逐步损失
力学性能 下降
腐蚀产物超过一定值 有毒 生 物相容性下降
金属植入材料的毒性
毒性反应及材料释放的化学物质和浓度有关。 若在材料中需引入有毒金属元素来提高其他性能 1）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； 2）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。
不锈钢 种类
添加 改善了生理盐水中耐蚀性 316 不锈钢 316不锈钢C (0.08%)下降到0.03%，提高了再氯化物中的耐蚀性316L不锈钢
317L不锈钢
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.。
钉，不锈钢植入器件更为常见。
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。
优势： (1)生物惰性:
即生物学反应最小
(2)优良的机械性能:
由于金属材料在组成上及人体组织成分相距甚远，很难及生 物组织产生亲合，一般不具有生物活性，具有相对稳定的化 学性能，获得一定的生物相容性。 植入生物组织后，总是以异物的形式被生物组织所包裹，使 之及正常组织隔绝。
强度及弹性模量（及生物体匹配） 人体骨强度不高，如股骨头的抗压强度仅为143，具有较低的弹性模量；股骨头的强度纵向弹性模量约为13.8， 径向弹性模量为纵向的1/3，其断裂韧性较高。 生物医用金属材料通常具有较高的弹性模量，一般高出人体骨一个数量级，即使模量较低的钛合金也高出人体 骨4-5倍