第三章 医用金属材料

因此，必须从材料的组成、制造工艺和器件设计等多方面着
手，尽量避免不锈钢在机体内的腐蚀和磨损的发生。
临床应用
（1）人工关节和骨折内固定器械。如人工全髋关节、半髋关 节、膝关节、监管杰、肘关节、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、哈氏棒、鲁
氏棒、人工椎体和颅骨板等，这些植入件可替代生物体因关节
材料 状态 退火态 316 冷精轧 冷加工 退火态 316L 冷精轧 抗拉强度 /MPa 515 620 860 505 605 屈服强度/MPa 205 310 690 195 295 延伸率/% 40 35 12 40 35 洛氏硬度 /HRB 95 － 300～350 95 －
性能
冷加工
860
力学性能 下降
体液腐蚀
金属材料逐步损失 腐蚀产物超过一 定值 有毒 生物 相容性下降
B2 细胞功能 有益
金属植入材料的毒性
毒性反应与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。 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。
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CO2 ,SO2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，铜作阴极，铁作阳 极，所以铁很快腐蚀形成 铁锈。
生物金属材料在人体生理环境下的腐蚀主 要有八种类型：
人体骨强度不高，如股骨头的抗压强度仅为143MPa，具有较低的弹性模
量；股骨头的强度纵向弹性模量约为 13.8GPa ，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
问题：
磨损
腐蚀与磨损
金属植入材料 Fe Cr Co Ni Ti Ta Mo W
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
炎或外伤损坏的关节，应用于骨折修复，骨排列错位校正，慢 性脊柱矫形和颅骨缺损修复等。 （2）在齿科方面，医用不锈钢被广泛应用于镶牙、齿科矫形、牙
根种植及辅助器件。如各种齿冠、齿桥、固定支架、卡环、基托等； 各种规格的嵌件、牙列矫形弓丝、义齿和额骨缺损修复等。
（3）在心血管系统，医用不锈钢广泛应用于各种植入电极、 传感器的外壳和合金导线，可制作不锈钢的人工心脏瓣膜； 各种临床介入性治疗的血管内扩张支架等。 （ 4 ）医用不锈钢在其他方面也获得了广泛的应用，如用 于各种眼科缝线、固定环、人工眼导线、眼眶填充等；还
其钝化。 临床应用较多的高纯度医用不锈钢，通常先后经热加工、
冷加工和机械加工制作成各种医疗器件。冷加工可大幅度提
高医用不锈钢的强度，但并不引起塑性、韧性的明显降低。 采用机械抛光或电解抛光，可提高器件表面光洁度，有助于 消除材料表面易腐蚀及应力集中隐患，提高不锈钢植入器件 的使用寿命。
生物相容性
医用不锈钢的生物相容性与其在机体内的腐蚀行为及其 所造成的腐蚀产物所引起的组织反应有关。其腐蚀行为涉及 均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、磨蚀和疲劳腐蚀。 由于腐蚀会造成金属离子或其他化合物进入周围的组织 或整个机体，因而可在机体内引起某些不良组织学反应，如 出现水肿、感染、组织坏死等，从而导致疼痛和过敏反应等。 在多数情况下，人体只能容忍微量浓度的金属腐蚀物存在。
晕船药（铈） 抗贫血药物（铈、氧化锗） 糖尿病（氧化铈） 去垢剂（硒） 止血剂（皓） 消毒剂（碲） 安眠剂（铷 铯） 癌症（铂铬合金）
精神病（磷酸锂）
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，其重要性与生物医用高分子材 料并驾齐驱，在整个生物医用材料应用中各占 45% 左右。
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。
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。
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。
优势：
(1)生物惰性: 即生物学反应最小 (2)优良的机械性能:
强度与弹性模量（与生物体匹配） 由于金属材料在组成上与人体组织成分 相距甚远，很难与生物组织产生亲合， 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，使之与正常组织隔绝。
除组成可以影响到材料的性能外，材料的制造和加工 工艺同样也可以在比较宽的范围内调节材料的力学性能和 耐腐蚀性能。
通常采用两种工艺生产医用不锈钢。
对于低纯度医用不锈钢，一般采用惰性气体保护，真空 或非真空熔炼工艺生产。而高纯度医用不锈钢一般先通过真
空熔炼，然后再用真空电弧炉重熔或电渣重熔除去杂质，使
第三章 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 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
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（Ti合金） 3）用于制药
金属植入材料的腐蚀
金属腐蚀分两类：
（1）化学腐蚀 金属表面与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。 （2）电化学腐蚀 金属表面与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。
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，比不锈钢等材料高。 铸造和锻造合金都具有优良的抗蚀性能。释放镍离子的速 率与316L不锈钢近视。
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。
金属植入材料
公元前400～300年，金属丝用于修复牙缺失；
应用
唐代 ：银膏补齿，成分是银、汞和锡，与银汞合金很相似。 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。
≤0.75 57～67 18～20 27～30 ≤2.5 11～15 － － － ≤0.35 ≤1.00 － － ≤0.10 3.0～4.0 5.0～7.0 － － － －
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，防止转化为其他性 能不佳的结构。 降低不锈钢中的Si、Mn等杂质元素及非金属杂物，可进一步 提高材料的抗腐蚀能力。
金属植入材料腐蚀研究
腐蚀电势与pH关系图 缺点：不能确定腐蚀速率
腐蚀区：大于等于10-6/l 稳定区：小于10-6M
钝化区： 10-6M
金属、水、反应产物平衡 Cl-
金属植入材料腐蚀研究
腐蚀速率： 腐蚀失重与离子释放速率
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 添加Mo 改善了生理盐水中耐蚀性
690
12
－
表2 金属材料成分（ASTM，1978）
元素 铁 钴 铬 镍 钛 铝 钒 碳 锰 磷 硫 硅 钼 钨 氯 氢 氧 其他 316 不锈钢 316L 317L 铸钴合金 锻钴合金 ≤3.0 40～56 16～21 9～11 － － － 0.05～0.15 ≤2.00 － － ≤0.10 － 14～16 － － －
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
用于制作人工耳导线等。
医用钴基合金
（一）组成与性能
① 最早开发的医用钴基合金：钴铬钼（ Co-Cr-Mo）合金， 其结构为奥氏体。 ② 具有优良的力学性能和较好的生物相容性，尤其是优良