生物材料学.pptx
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生物材料学PPT课件
1、高分子纳米生物材料。 2、陶瓷纳米生物材料。 3、纳米生物复合材料。 4、纳米组织工程支架材料。
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纳米生物材料的前景
随着纳米材料和纳米技术在生物材料研究领域的不断 发展，不同学科间的交叉和融合趋势也越来越明显， 目前已经成为整个生物医用材料研究的热点，不断有 新材料和新技术涌现出来。
.
14
陶瓷纳米生物材料
生物陶瓷无毒副作用，具有良好的生物相容性和耐腐 蚀性，在生物医用材料的研究和临床应用中占有十分 重要的地位。但是由于常规陶瓷材料中气孔、缺陷的 影响，使得材料低温性能较差；弹性模量远高于人骨， 力学性能与人骨不匹配，易发生断裂破坏；强度和韧 性也不能完全满足临床上的要求， 致使其应用受到很 大的限制。纳米材料的出现和蓬勃发展，有助于提高 生物陶瓷材料的力学性能和生物学性能。
宏观量子隧道效应是指纳米粒子的一些宏观量（如磁 化强度）具有贯穿势垒的能力。这一效应限定了磁盘 、磁带等存储介质的存储时间极限，因为它不但是未 来微电子器件的发展基础，也是其进一步微型化的极 限。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸 接近电子波长时，电子将通过隧道效应而穿透绝缘层 ，使器件无法正常工作。因此，宏观量子隧道效应已 成为微电子学、光电子学中的重要理论。
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4
纳米材料的发展历史
1981年 科学家发明研究纳米的重要工 具———扫描隧道显微镜，原子、分子 世界从此可见。
1991年 碳纳米管被人类发现，它的质 量是相同体积钢的六分之一，强度却是 铁的10倍，成为纳米技术研究的热点。
.
5
纳米材料的发展历史
美国戴顿大学教授戴 黎明和佐治亚理工学院 教授王中林、曲良体博 士等合作，用纳米材料 研制出一种仿生壁虎脚 ，它们既能在垂直的表 面上轻松吸附重物，也 能从不同角度轻松取下 。这一最新成果发表在 10月10日出版的《科学 》杂志上。
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纳米生物材料的前景
随着纳米材料和纳米技术在生物材料研究领域的不断 发展，不同学科间的交叉和融合趋势也越来越明显， 目前已经成为整个生物医用材料研究的热点，不断有 新材料和新技术涌现出来。
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陶瓷纳米生物材料
生物陶瓷无毒副作用，具有良好的生物相容性和耐腐 蚀性，在生物医用材料的研究和临床应用中占有十分 重要的地位。但是由于常规陶瓷材料中气孔、缺陷的 影响，使得材料低温性能较差；弹性模量远高于人骨， 力学性能与人骨不匹配，易发生断裂破坏；强度和韧 性也不能完全满足临床上的要求， 致使其应用受到很 大的限制。纳米材料的出现和蓬勃发展，有助于提高 生物陶瓷材料的力学性能和生物学性能。
宏观量子隧道效应是指纳米粒子的一些宏观量（如磁 化强度）具有贯穿势垒的能力。这一效应限定了磁盘 、磁带等存储介质的存储时间极限，因为它不但是未 来微电子器件的发展基础，也是其进一步微型化的极 限。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸 接近电子波长时，电子将通过隧道效应而穿透绝缘层 ，使器件无法正常工作。因此，宏观量子隧道效应已 成为微电子学、光电子学中的重要理论。
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纳米材料的发展历史
1981年 科学家发明研究纳米的重要工 具———扫描隧道显微镜，原子、分子 世界从此可见。
1991年 碳纳米管被人类发现，它的质 量是相同体积钢的六分之一，强度却是 铁的10倍，成为纳米技术研究的热点。
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纳米材料的发展历史
美国戴顿大学教授戴 黎明和佐治亚理工学院 教授王中林、曲良体博 士等合作，用纳米材料 研制出一种仿生壁虎脚 ，它们既能在垂直的表 面上轻松吸附重物，也 能从不同角度轻松取下 。这一最新成果发表在 10月10日出版的《科学 》杂志上。
《生物材料课件》PPT课件共107页
两种基本元素形 成的固溶体
钴含量达到65％ （质量分数） 其余主要是铬
添加Mo结构上 保持小晶粒
种类和组成
• 铸造Co-Cr-Mo合金
• Co-Ni-Cr-W合金， 热锻
• Co-Ni-Cr-Mo
锻造
• Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe
Co基合金化学组成
Co基合金的机械力学性能
强度提高，塑性降低 弹性模量（220~234GPa）不随极限拉 伸强度变化而变化
第一种用于植入材料的不锈钢：18-8（标准牌号302） 强度较钒钢更高，抗蚀能力也强
50～60年代，18-8sMo不锈钢（标准牌号316） （Mo改善材料在生理盐水中的抗蚀性）
70 ～ 80年代，标准牌号316L不锈钢 （c含量从0.08％降低至0.03％，提高材料在氯化物
溶液中的抗蚀性）
组成和性能
• Ni 室温下稳定奥氏体相，提高抗蚀性能 Ni在不锈钢中的作用是在与Cr配合后才发
挥出来的
• Mo 提高了在盐水中的抗蚀性能，阻止了点蚀，
坑蚀
• 形成原因：碳钢中有三个基本相，即铁素 体、奥氏体和渗碳体。合金元素加入钢中 时，可以溶于此三相中形成合金铁素体、 合金奥氏体及合金渗碳体。当钢中加入 镍、锰、碳、氮等元素时，这些元素可使 A1和A3温度降低，使铁碳相图中S点、E点 向左下方移动，从而使奥氏体区域扩大。 其中与γ－Fe无限互溶的元素镍或锰的含 量较多时，可使奥氏体区域扩展到室温， 因此在室温下钢组织仍以奥氏体单相存在
锻造Co-Ni-Cr-Mo合金
• 最有名的钴基合金（MP35N） • 含有35％Ni（质量分数）
35％Co （质量分数）
• 冷加工可以大大提高提高强度，但也增加
了加工难度
生物材料学 ppt课件
PPT课件
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生物材料的分类
按照研究对象和使用目的的不同，可将生物材料分为 三种：
一是天然生物材料，这是一类在生物过程中形成的材 料，如棉、麻、蚕丝、贝壳等；
二是生物医用材料，指植入活体内能有某种生物学功 能的材料，如制作各种人工器官的材料；
三是仿生和组织工程材料，它是生物材料学与化学、 工程学交叉的部分，包括各种仿生材料、智能材料和 组织工程材料。
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按生物材料的属性分类：
天然生物材料—再生纤维、胶原、透明质酸、甲壳素等。
合成高分子生物材料—硅橡胶、聚氨脂及其嵌段共聚物、涤 纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃
医用金属材料—不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆合金等
无机生物医学材料—碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料
杂化生物材料—指来自活体的天然材料与合成材料的杂化， 如胶原与聚乙烯醇的交联杂化等
20世纪60年代初，用高分子聚乙烯和不锈钢制成的 人工髋关节被植入人体并取得成功。
发展时期
20世纪60年代末和70年代初，在美国克莱姆森大学举
行的生物材料讨论会上“biomaterial”一词开始被普遍
使用。
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飞速发展时期
20世纪末，以纳米科技为首的物理、化学的 科技迅猛发展，极大的带动了生物材料的研 究和发展，使得生物材料进入了全新的飞速 发展时期，产生了，如药物释放、生物传感 器、人工器官、仿生材料、智能材料、生物 医学材料等的多学科交叉、多应用前景的发 展局面。
生物相容性
生物材料前沿专题PPT课件
3
主要参考书
➢崔福斋 编著 北京：清华大学出 版社.
2004。
PPT课件
第一章生物材料课件.
可生物降解和吸收材料 （如：聚乳酸）
惰性生物医学材料 （如：聚四氟乙烯）
生物活性材料 （如：羟基磷灰石）
1.3生物材料的分类
根据组成和性质分为：
1、生物医用金属材料
2、医用高分子材料 3、医用无机非金属材料
1.3生物材料的分类
1. 生物医用金属材料
医用不锈钢、 钴基合金、 钛及钛合金、 镍钛形状记忆合金、 金银等贵重金属、 银汞合金、 钽、铌等金属和合金。
----------------国家科技部资料
775万肢残患者和每年新增的300万骨损伤患者 -------需要大量骨修复材料 2000万心血管病患者 --------每年需要24万套人工心瓣膜
肾衰患者
--------每年需要12万个肾透析器 ……
全球生物医用材料细分市场发展
矫形外科修复材料和 制品
生物工程材料
材料物理与化学系
第一章、绪论
1.1生物材料的概念
国际标准化组织（简称ISO）定义，生物材料
（Biomaterials）即生物医学材料（Biomedical
Materials），它是指“以医疗为目的，用于与
组织接触以形成功能的无生命的材料”。另有
定义是：具有天然器官组织的功能或天然器官
1.2 生物材料的发展背景
生物材料的开发和利用可追溯到 3500 年前，那时的古埃及 人就开始利用棉纤维、马鬃作缝合线缝合伤口；印第安人 则使用木片修补受伤的颅骨。 2500 年前，中国和埃及的墓葬中就发现有假牙、假鼻和假 耳。人类很早就用黄金来修复缺损的牙齿，并沿用至今。 1588年人们用黄金板修复颚骨。
1.3生物材料的分类
医用不锈钢 德国产品 UHMWPE材料
•ISO5834-2 •ASTM F648 •可用为人工关节、人工骨 骼植入人体 •极低的能耗 •…… （1）具有一定的耐腐蚀性和良好的综合力学性能，且加工工艺简便， 是生物医用金属材料中应用最多，最广的材料。 （2）医用不锈钢植入活体后，可能发生点蚀，偶尔也产生应力腐蚀和 腐蚀疲劳。医用不锈钢临床前消毒、电解抛光和钝化处理，可提高耐 蚀性。 （3）医用不锈钢在骨外科和齿科中应用较多。
惰性生物医学材料 （如：聚四氟乙烯）
生物活性材料 （如：羟基磷灰石）
1.3生物材料的分类
根据组成和性质分为：
1、生物医用金属材料
2、医用高分子材料 3、医用无机非金属材料
1.3生物材料的分类
1. 生物医用金属材料
医用不锈钢、 钴基合金、 钛及钛合金、 镍钛形状记忆合金、 金银等贵重金属、 银汞合金、 钽、铌等金属和合金。
----------------国家科技部资料
775万肢残患者和每年新增的300万骨损伤患者 -------需要大量骨修复材料 2000万心血管病患者 --------每年需要24万套人工心瓣膜
肾衰患者
--------每年需要12万个肾透析器 ……
全球生物医用材料细分市场发展
矫形外科修复材料和 制品
生物工程材料
材料物理与化学系
第一章、绪论
1.1生物材料的概念
国际标准化组织（简称ISO）定义，生物材料
（Biomaterials）即生物医学材料（Biomedical
Materials），它是指“以医疗为目的，用于与
组织接触以形成功能的无生命的材料”。另有
定义是：具有天然器官组织的功能或天然器官
1.2 生物材料的发展背景
生物材料的开发和利用可追溯到 3500 年前，那时的古埃及 人就开始利用棉纤维、马鬃作缝合线缝合伤口；印第安人 则使用木片修补受伤的颅骨。 2500 年前，中国和埃及的墓葬中就发现有假牙、假鼻和假 耳。人类很早就用黄金来修复缺损的牙齿，并沿用至今。 1588年人们用黄金板修复颚骨。
1.3生物材料的分类
医用不锈钢 德国产品 UHMWPE材料
•ISO5834-2 •ASTM F648 •可用为人工关节、人工骨 骼植入人体 •极低的能耗 •…… （1）具有一定的耐腐蚀性和良好的综合力学性能，且加工工艺简便， 是生物医用金属材料中应用最多，最广的材料。 （2）医用不锈钢植入活体后，可能发生点蚀，偶尔也产生应力腐蚀和 腐蚀疲劳。医用不锈钢临床前消毒、电解抛光和钝化处理，可提高耐 蚀性。 （3）医用不锈钢在骨外科和齿科中应用较多。
《生物材料学》医用生物材料 ppt课件
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二维有限元法设计 40
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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TiNi记 忆合金和贵金属等。
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4
生物相容性要求
毒性反应：
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。不锈钢中含有毒性的铁、
5.1.5 其他医用金属材料
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第五章 生物医用材料
5.2 医用陶瓷材料
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5.2 医用陶瓷材料
陶瓷结构与性能的关系
磷酸钙陶瓷
生物活性玻璃与生物微晶玻璃
生物材料学课件讲解
Chapter 7：仿生和组织工程材料
12
Chapter 4：生物复合纤维
柔性组织材料 = 柔软的基体+硬的纤维 纤维的作用：引入各向异性
（例如海葵的中胶层）
承受由内压产生的负荷（如软骨细胞） 承受沿长度方向上的载荷（如腱） 柔性组织材料不能承受弯曲和压缩载荷 → 纤维会发生取向或位移
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Chapter 4：生物复合纤维
16
4.0 材料的基本力学性能
承载能力：
在结构承受载荷或机械传递运动时，为保证各 构件或机械零件能正常工作，构件和零件必须符 合如下要求：具有足够的强度,具有足够的刚度,构 件不会失去稳定性.
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4.0 材料的基本力学性能
强度 (Strength)：构件承受载荷作用而不发生塑性变形或
断裂的能力。（抵御破坏的能力）
模型计算所得数据：
45
4.1 生物复合纤维的实例与机理
4.1.1 蝗虫腱
纤维增强复合材料的行为
几丁质刚度的估计值与纤维素刚度值吻合 得较好 蛋白质基体刚度的估计值与其经典值吻合 几丁质纤维长度的估计与利用凝胶技术从 表皮中得到的数据非常接近
模型推导和计算可以证明蝗虫腱与纤维增强复合材料的行为一致
2
生物材料
•结构蛋白 •结构多糖 •生物软组织 •生物复合纤维 •生物矿物
3
Chapter 3 结构多糖及生物软组织
3.1 糖
3.3 粘液
3.7 皮肤
3.9 泊松比
3.2 蛋白质与多糖的混合 3.8 应力-应变性质
3.4 柔性基质
3.5 海葵的骨架
3.10 断裂
3.11水产生的刚化
3.6 雌性蝗虫的节间膜
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生物材料 Biomaterialsppt课件
E xtension (m m )
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Stress and Strain
• Extension for a given load varies with geometry and composition
• Normalization of load and deformation to allow comparison of different materials
24
• Surface properties direct the biological response
• Not toxicology • Mechanical and functional design,
while critical, are not central to biocompatibility
• Blood vessels play a crucial role in tissue growth by providing nutrients, a means for waste removal and a supply of additional cells
• Nervous system is responsible for the integration and control of all of the bodies functions
2
Biomaterials Science
• Physical and biological study of materials and their interaction with the biological environment
– Synthesis – Optimization – Testing – Biology of host-material interactions
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Stress and Strain
• Extension for a given load varies with geometry and composition
• Normalization of load and deformation to allow comparison of different materials
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• Surface properties direct the biological response
• Not toxicology • Mechanical and functional design,
while critical, are not central to biocompatibility
• Blood vessels play a crucial role in tissue growth by providing nutrients, a means for waste removal and a supply of additional cells
• Nervous system is responsible for the integration and control of all of the bodies functions
2
Biomaterials Science
• Physical and biological study of materials and their interaction with the biological environment
– Synthesis – Optimization – Testing – Biology of host-material interactions
生物材料PPT课件
（天然）
（合成）
（合成）
（合成）
明胶
藻酸盐
聚乙烯醇
聚甲基丙烯酸酯
淀粉
聚酸酐
聚醋酸乙烯酯
聚氨基甲酸酯
白蛋白
聚酰胺
聚苯乙烯
聚酯
胶原
聚腈基丙烯酸烷基酯 聚硅氧烷橡胶
聚乙烯
甲壳素或壳聚糖
脂肪族聚酯
聚丙烯酸酯
聚四氟乙烯
纤维素
聚酰胺
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天然及合成高分子材料对比
天然高分子材料 优点：生物相容性好，无毒副作用 缺点：力学性能较差，药物释放速度不可调控
20世纪中后期---高分子材料迅猛发展，推动了生 物医用材料的发展，例如：透析膜、人工心脏材料、 血管植入物、缝合线等。
20世纪80年代后---组织工程产生：在材料结构及 功能设计中引入生物支架--活性细胞，构建所希望 的生物材料。
---药物缓释材料、靶向药物以及智能仿生材料 的出现
3
2 生物医用材料分类
1) Bryan Jeun;Hyukjin Lee;Saurabh Aggarwal;Hailin Wang; Qiang Li;Sukyeon Hwang. “Application of Collagen in Drug Delivery” 2) “Recombinant collagen and gelatin for drug delivery” Journal Metadata Search: Elsevier - Advanced Drug Delivery Reviews
按材料组成和性质：
医用高分子材料
生物陶瓷材料
医用金属材料
生物医学复合材料
4
按用途:
骨骼-肌肉系统修复和替换材料：骨、牙、关节、肌腱等 软组织材料：皮肤、乳房、食道、呼吸道、膀胱等 心血管系统材料：人工心瓣膜、血管、心血管内插管等 医用膜材料：血液净化膜、分离膜、角膜接触镜等 组织粘合剂和缝线材料 临床诊断及生物传感器材料 齿科材料 药物释放载体材料
生物材料学-第一章绪论ppt课件
例如，医用缝合线降解时会产生酸性物质， 如果量少，很容易被人体中的化学物质中和， 如果老化产物较大，则会对周围组织产生损害。
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27
（3） 磨损
人工关节常用材料为Ti6Al4V，由于表面易氧化生成 TiO2，其耐磨性差，植入人体后，磨损造成在关节周围组 织形成黑褐色稠物，从而引起疼痛。钛合金人工全髋关节 平均寿命一般都低于10年。
32
目前已有的标准有：
▪ 血液相容性。材料用于心血管系统与血液接触，主 要考察与血液的相互作用.
▪ 与心血管外的组织和器官接触。主要考察与组织的 相互作用，也称一般生物相容性
▪ 力学相容性。考察力学性能与生物体的一致性。材
料要有合适的强度、硬度、韧性、塑性等力学性能
以满足耐磨、耐压、抗冲击、抗疲劳、弯曲等医用
要求。
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生物机体作用于生物材料－材料反应，其 结果可导致材料结构破坏和性质改变而丧失其 功能。可分为如下三个方面：
➢ 金属腐蚀 ➢ 聚合物降解 ➢ 磨损
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23
（1）金属腐蚀
生物体内的腐蚀性环境：（1）含盐的溶液是 极好的电解质，促进了电化学腐蚀和水解；（2） 组织中存在具有催化或迅速破坏外来成分能力 的多种分子和细胞。将对生物金属材料产生腐 蚀。
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25
（2） 聚合物降解
聚合物在长期使用过程中，由于受到氧、 热、紫外线、机械、水蒸气、酸碱及微生物等 因素作用，逐渐失去弹性，出现裂纹，变硬、 变脆或变软、发粘、变色等，从而使它的物理 机械性能越来越差的现象。
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26
聚合物老化易形成的碎片、颗粒、小分子
量单体物质，因此使用它时必须谨慎，对耐久 性器件，必须保持一定强度和其它机械性能， 老化产物不能对周围组织有毒害作用。
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（3） 磨损
人工关节常用材料为Ti6Al4V，由于表面易氧化生成 TiO2，其耐磨性差，植入人体后，磨损造成在关节周围组 织形成黑褐色稠物，从而引起疼痛。钛合金人工全髋关节 平均寿命一般都低于10年。
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目前已有的标准有：
▪ 血液相容性。材料用于心血管系统与血液接触，主 要考察与血液的相互作用.
▪ 与心血管外的组织和器官接触。主要考察与组织的 相互作用，也称一般生物相容性
▪ 力学相容性。考察力学性能与生物体的一致性。材
料要有合适的强度、硬度、韧性、塑性等力学性能
以满足耐磨、耐压、抗冲击、抗疲劳、弯曲等医用
要求。
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生物机体作用于生物材料－材料反应，其 结果可导致材料结构破坏和性质改变而丧失其 功能。可分为如下三个方面：
➢ 金属腐蚀 ➢ 聚合物降解 ➢ 磨损
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（1）金属腐蚀
生物体内的腐蚀性环境：（1）含盐的溶液是 极好的电解质，促进了电化学腐蚀和水解；（2） 组织中存在具有催化或迅速破坏外来成分能力 的多种分子和细胞。将对生物金属材料产生腐 蚀。
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（2） 聚合物降解
聚合物在长期使用过程中，由于受到氧、 热、紫外线、机械、水蒸气、酸碱及微生物等 因素作用，逐渐失去弹性，出现裂纹，变硬、 变脆或变软、发粘、变色等，从而使它的物理 机械性能越来越差的现象。
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聚合物老化易形成的碎片、颗粒、小分子
量单体物质，因此使用它时必须谨慎，对耐久 性器件，必须保持一定强度和其它机械性能， 老化产物不能对周围组织有毒害作用。
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大量的体内和体外实验证明，钛在体液中虽然有很强的抗 腐蚀性，但仍会有物质释放到组织中。Williams的研究表 明钛种植体周围组织中钛的浓度会提高10~100倍。生物体 的复杂性决定了种植体-组织之间反应的复杂性。
作为硬组织替代材料，合金的耐磨性是一项重要的指标。 耐磨性较差的合金在长期服役过程中会导致恶性细胞反应、 组织发炎、破坏性酶的释放、骨质溶解、感染、植入物的 松动和疼痛等。
为了增加合金的耐磨性，许多学者采用离子束方法 来改善钛合金耐腐蚀、耐磨损、耐疲劳性能。
通常在其表面通过离子注入的方法注入C、N等在材 料表面形成硬相沉积物，这些沉积物的形成阻碍了 位错运动，从而增加了表面的微硬度，提高了钛表 面的耐磨性和抗疲劳性能。
这种方法可控性好，且在真空条件下进行，满足了 植入物材料的洁净化要求。离子注入的人工关节在 美国已实现了实用化。
另一方面，随着功能梯度材料及功能梯度涂层技术 的发展，通过对钛合金的表面改性，其在临床方面 的应用必将具有更广阔的前景。
贵金属铱（Ir）的耐蚀性最好，并有良好的生物相容 性，用铱对钛合金表面改性取得了巨大成功。
小结
随着材料及其加工技术的发展，更适合于骨组织固 定及修复的新兴材料必将得到进一步的发展。钛合 金在将来的一段时间里必将是最引人注目的金属植 入物之一，新型钛合金将朝着不含Al、V等对人体有 害离子，生物相容性、耐腐蚀性、耐磨性等综合性 能更好的方向发展。
一、提高钛合金的生物活性
1、钛合金表面面貌的改变 生物材料的生物活性除与材料表面的化学状态有关
外，还与材料表面形貌密切相关。粗糙表面不仅增 加接触面积，并且可以优先黏附成骨细胞、上皮细 胞。当表面粗糙度降至细胞水平，将呈现粗糙表面 对细胞的生长有接触诱导。
2、涂层钛合金
目前应用最多的是在钛合金表面制作一层生物活性 陶瓷涂层。 生物活性陶瓷涂层有：羟基磷灰石（HA）、氟磷灰 石（FA）、β-磷酸三钙（ β-TCP）等 HA在化学成分、晶体结构、与骨组织的羟基磷灰石 盐极为相似，含有与人体组织发生键合的羟基，成 为生物活性陶瓷中首选的涂层材料。
二、提高耐磨性、耐蚀性
正常人的体液中含有水、葡萄糖、聚糖（GAG）、蛋白质、 类脂物、约0.9%的NaCl，以及nm级的Ca2+、Mg2+、Na+、 K+、Cl-、OH-和H2PO4-等，正常状态下的PH值为7.4。有两 种特性决定了这个环境的腐蚀性：它是一种含盐电解质， 促进了电化学机制的腐蚀和水解；组织中的有机分子和细 胞有加快化学反应或破坏外来成分的能力。
3、镁基合金
耐蚀性差成为限制其应用的重要因素
钛合金是怎么进入人们视线的？
上世纪40年代初， Bothe等发表了有关 多种金属种植体与
骨之间反应的文章，
从而将钛带入了生
物医学领域。
60年代， Branemark 将钛合金用
作口腔种植
体。
50年代 的研究 进一步 证实了 钛无任 何不良
反应。
近年来，钛及其合金 以其与骨相似的弹性 模量、良好的生物相 容性及在生物环境下 优良的抗蚀性在临床 上得到了越来越广泛 的应用。
Ti-6Al-4V具有较高的强度和较好的加工性能， 70年代后期被广泛用 作外科修复材料，如髋关节，膝关节等。 V被认为是对生物体有毒 的元素，其在生物体内聚集在骨、肝、肾、脾等器官，毒性效应 与磷酸盐的生化代谢有关，通过影响Na+、K+、Ca2+和H+的ATP酶发 生作用，毒性超过Ni和Cr。
α +β型合金Ti-5Al-2.5Fe、Ti-6Al-7Nb避免V元素的潜在毒性， 80年代中期在欧洲得到了发展。但由于Al元素的存在，Al 会通过铝盐在体内的积累使人体器官受损，还可引起骨软 化、贫血和神经紊乱等症状。弹性模量为骨的4~10倍，出 现应力屏蔽现象，导致移植失败。
短期的实验证明，HA表面可实现骨-种植体的键性结 合。但随着时间的推移涂层将逐步降解脱落，据报 道植入12周后涂层就逐渐消失，从而造成骨与基体 钛合金的直接接触，基于这点有人认为涂层不但没 有加快骨愈合，反而推迟了骨愈合进程。
3、钛合金的生物活化
钛表面的TiO2是致密的钝化层，诱导磷酸盐沉积的能 力很差，甚至不能诱导。通常认为表面钛羟基 （TiOH）在骨组织形成骨键结合的过程中起着重要 作用。 活化的方法：阳极氧化、化学方法 近年来，采用蛋白质或多肽对生物材料进行表面改 性成为生物材料的研究热点，钛基合金表面的模拟 矿化具有低温形成钙磷薄层、不破坏蛋白质大分子 的生物活性等优点，为蛋白质等生物活性物质与钙 磷共沉积提供了可能，被认为可用于制备生物活性 材料。
由于钛合金本身的低塑性剪切抗力和加工硬化性能,而引 起粘着磨损和磨粒磨损产生大量磨屑,导致植入体的无菌 松动,最终促使手术失败 4、耐腐蚀性能还需加强。 虽然钛合金表面上有一层稳定而致密的氧化物钝化层,但 是在复杂的人体腐蚀介质中,加上外力作用,纳米级厚的钝 化膜很可能被剥落,导致有物质释放到人体组织中,从而产 生毒性、炎症、血栓等不良反应。
医用β钛合金的表面改性
姓名：朱 晓 鹏 学号： 1100509044
背景
医用 钛合 金的 发展
表面 改性 技术
小结
背景
世界人口近65亿（06年，2010年估计69亿）据不完 全统计，伤残者接近4亿，肢体伤残者6000万，牙病 患者20亿，目前生物材料器件植入者仅有3500万人， 每年关节置换量约150万例，与实际需要置换者的数 量相差甚远。因此，生物医用材料市场需求潜力巨 大。而作为生物医用金属材料的首选，钛及其合金 需求也将大增，因此加大医用钛合金材料的研发力 度势在必行。
几种比较典型的β型钛合金：Smith&Nephew Richards公司 的Ti-13Ni-13Zr，Ti-35Nb-5Ta-7Zr
几种钛合金的弹性模量比较
Ti-6Al-4V 110GPa Ti-6Al-7Nb 105GPa Ti-5Al-2.5Fe 110GPa Ti-13Nb-13Zr 79GPa Ti-35Nb-5Ta-7Zr 55GPa 人体骨骼：股骨17.6GPa、胫骨18.4GPa、肱骨
第一阶段
医
纯钛
Ti-6Al-4V
用
钛
第二阶段
合
Ti-5Al-2.5Fe
Ti-6Al-7Nb
金
的
第三阶段（β钛合金）
发
更好的生物相容性 更低的弹性模量
展
各阶段医用钛合金的特点
纯钛在生理环境中具有良好的抗腐蚀性能，但其强度较低，耐磨 损性能较差，限制了它在承载较大部位的应用，目前主要用于口 腔修复及承载较小部分的骨替换，但目前尚未出现强医用人工关节 316L主要成分：C≤0.03,Si≤1.00,Mn≤2.00,P≤0.045,S 0.03, Ni 11-14,Cr 16-18,Mo 2-3 廉价、容易缝隙腐蚀或摩擦腐蚀，易发生疲劳腐蚀断裂
2、钴基合金 Co-Cr
Co-Cr-Mo合金、Co-Ni-Cr-Mo合金-关节替换假体连接件 生物相容性好，价格较高，Co、Ni元素存在严重致敏性
17.5GPa、桡骨18.9GPa、牙本质10~20GPa、牙釉质 40~80GPa
目前医用钛合金存在的问题
1、生物活性不够。 钛合金是一种生物惰性材料,其表面结构和性质与骨组织 差异太大,不能与骨形成化学骨性结合,即没有骨传导、骨 整合作用
2、弹性模量与自然骨组织的相差还较大。 3、耐磨性能较差。
表面改性技术
在生物医学工程中，表面改性一般都是用于提高植 入物的耐磨损性、抗腐蚀性和生物相容性，改性后 的表面一般呈现“生物惰性”或“生物活性”。
目前的表面改性技术主要分湿法和干法两类：湿法 是利用从液相中发生各种化学反应从而进行表面改 性的技术，有Sol—gel法、水热合成法、电化学沉积 法、自组装单层膜法等；干法是在气相中进行各种 反应或沉积，有等离子喷涂法、物理气相沉积法、 化学气相沉积法和激光熔覆法等。
作为硬组织替代材料，合金的耐磨性是一项重要的指标。 耐磨性较差的合金在长期服役过程中会导致恶性细胞反应、 组织发炎、破坏性酶的释放、骨质溶解、感染、植入物的 松动和疼痛等。
为了增加合金的耐磨性，许多学者采用离子束方法 来改善钛合金耐腐蚀、耐磨损、耐疲劳性能。
通常在其表面通过离子注入的方法注入C、N等在材 料表面形成硬相沉积物，这些沉积物的形成阻碍了 位错运动，从而增加了表面的微硬度，提高了钛表 面的耐磨性和抗疲劳性能。
这种方法可控性好，且在真空条件下进行，满足了 植入物材料的洁净化要求。离子注入的人工关节在 美国已实现了实用化。
另一方面，随着功能梯度材料及功能梯度涂层技术 的发展，通过对钛合金的表面改性，其在临床方面 的应用必将具有更广阔的前景。
贵金属铱（Ir）的耐蚀性最好，并有良好的生物相容 性，用铱对钛合金表面改性取得了巨大成功。
小结
随着材料及其加工技术的发展，更适合于骨组织固 定及修复的新兴材料必将得到进一步的发展。钛合 金在将来的一段时间里必将是最引人注目的金属植 入物之一，新型钛合金将朝着不含Al、V等对人体有 害离子，生物相容性、耐腐蚀性、耐磨性等综合性 能更好的方向发展。
一、提高钛合金的生物活性
1、钛合金表面面貌的改变 生物材料的生物活性除与材料表面的化学状态有关
外，还与材料表面形貌密切相关。粗糙表面不仅增 加接触面积，并且可以优先黏附成骨细胞、上皮细 胞。当表面粗糙度降至细胞水平，将呈现粗糙表面 对细胞的生长有接触诱导。
2、涂层钛合金
目前应用最多的是在钛合金表面制作一层生物活性 陶瓷涂层。 生物活性陶瓷涂层有：羟基磷灰石（HA）、氟磷灰 石（FA）、β-磷酸三钙（ β-TCP）等 HA在化学成分、晶体结构、与骨组织的羟基磷灰石 盐极为相似，含有与人体组织发生键合的羟基，成 为生物活性陶瓷中首选的涂层材料。
二、提高耐磨性、耐蚀性
正常人的体液中含有水、葡萄糖、聚糖（GAG）、蛋白质、 类脂物、约0.9%的NaCl，以及nm级的Ca2+、Mg2+、Na+、 K+、Cl-、OH-和H2PO4-等，正常状态下的PH值为7.4。有两 种特性决定了这个环境的腐蚀性：它是一种含盐电解质， 促进了电化学机制的腐蚀和水解；组织中的有机分子和细 胞有加快化学反应或破坏外来成分的能力。
3、镁基合金
耐蚀性差成为限制其应用的重要因素
钛合金是怎么进入人们视线的？
上世纪40年代初， Bothe等发表了有关 多种金属种植体与
骨之间反应的文章，
从而将钛带入了生
物医学领域。
60年代， Branemark 将钛合金用
作口腔种植
体。
50年代 的研究 进一步 证实了 钛无任 何不良
反应。
近年来，钛及其合金 以其与骨相似的弹性 模量、良好的生物相 容性及在生物环境下 优良的抗蚀性在临床 上得到了越来越广泛 的应用。
Ti-6Al-4V具有较高的强度和较好的加工性能， 70年代后期被广泛用 作外科修复材料，如髋关节，膝关节等。 V被认为是对生物体有毒 的元素，其在生物体内聚集在骨、肝、肾、脾等器官，毒性效应 与磷酸盐的生化代谢有关，通过影响Na+、K+、Ca2+和H+的ATP酶发 生作用，毒性超过Ni和Cr。
α +β型合金Ti-5Al-2.5Fe、Ti-6Al-7Nb避免V元素的潜在毒性， 80年代中期在欧洲得到了发展。但由于Al元素的存在，Al 会通过铝盐在体内的积累使人体器官受损，还可引起骨软 化、贫血和神经紊乱等症状。弹性模量为骨的4~10倍，出 现应力屏蔽现象，导致移植失败。
短期的实验证明，HA表面可实现骨-种植体的键性结 合。但随着时间的推移涂层将逐步降解脱落，据报 道植入12周后涂层就逐渐消失，从而造成骨与基体 钛合金的直接接触，基于这点有人认为涂层不但没 有加快骨愈合，反而推迟了骨愈合进程。
3、钛合金的生物活化
钛表面的TiO2是致密的钝化层，诱导磷酸盐沉积的能 力很差，甚至不能诱导。通常认为表面钛羟基 （TiOH）在骨组织形成骨键结合的过程中起着重要 作用。 活化的方法：阳极氧化、化学方法 近年来，采用蛋白质或多肽对生物材料进行表面改 性成为生物材料的研究热点，钛基合金表面的模拟 矿化具有低温形成钙磷薄层、不破坏蛋白质大分子 的生物活性等优点，为蛋白质等生物活性物质与钙 磷共沉积提供了可能，被认为可用于制备生物活性 材料。
由于钛合金本身的低塑性剪切抗力和加工硬化性能,而引 起粘着磨损和磨粒磨损产生大量磨屑,导致植入体的无菌 松动,最终促使手术失败 4、耐腐蚀性能还需加强。 虽然钛合金表面上有一层稳定而致密的氧化物钝化层,但 是在复杂的人体腐蚀介质中,加上外力作用,纳米级厚的钝 化膜很可能被剥落,导致有物质释放到人体组织中,从而产 生毒性、炎症、血栓等不良反应。
医用β钛合金的表面改性
姓名：朱 晓 鹏 学号： 1100509044
背景
医用 钛合 金的 发展
表面 改性 技术
小结
背景
世界人口近65亿（06年，2010年估计69亿）据不完 全统计，伤残者接近4亿，肢体伤残者6000万，牙病 患者20亿，目前生物材料器件植入者仅有3500万人， 每年关节置换量约150万例，与实际需要置换者的数 量相差甚远。因此，生物医用材料市场需求潜力巨 大。而作为生物医用金属材料的首选，钛及其合金 需求也将大增，因此加大医用钛合金材料的研发力 度势在必行。
几种比较典型的β型钛合金：Smith&Nephew Richards公司 的Ti-13Ni-13Zr，Ti-35Nb-5Ta-7Zr
几种钛合金的弹性模量比较
Ti-6Al-4V 110GPa Ti-6Al-7Nb 105GPa Ti-5Al-2.5Fe 110GPa Ti-13Nb-13Zr 79GPa Ti-35Nb-5Ta-7Zr 55GPa 人体骨骼：股骨17.6GPa、胫骨18.4GPa、肱骨
第一阶段
医
纯钛
Ti-6Al-4V
用
钛
第二阶段
合
Ti-5Al-2.5Fe
Ti-6Al-7Nb
金
的
第三阶段（β钛合金）
发
更好的生物相容性 更低的弹性模量
展
各阶段医用钛合金的特点
纯钛在生理环境中具有良好的抗腐蚀性能，但其强度较低，耐磨 损性能较差，限制了它在承载较大部位的应用，目前主要用于口 腔修复及承载较小部分的骨替换，但目前尚未出现强医用人工关节 316L主要成分：C≤0.03,Si≤1.00,Mn≤2.00,P≤0.045,S 0.03, Ni 11-14,Cr 16-18,Mo 2-3 廉价、容易缝隙腐蚀或摩擦腐蚀，易发生疲劳腐蚀断裂
2、钴基合金 Co-Cr
Co-Cr-Mo合金、Co-Ni-Cr-Mo合金-关节替换假体连接件 生物相容性好，价格较高，Co、Ni元素存在严重致敏性
17.5GPa、桡骨18.9GPa、牙本质10~20GPa、牙釉质 40~80GPa
目前医用钛合金存在的问题
1、生物活性不够。 钛合金是一种生物惰性材料,其表面结构和性质与骨组织 差异太大,不能与骨形成化学骨性结合,即没有骨传导、骨 整合作用
2、弹性模量与自然骨组织的相差还较大。 3、耐磨性能较差。
表面改性技术
在生物医学工程中，表面改性一般都是用于提高植 入物的耐磨损性、抗腐蚀性和生物相容性，改性后 的表面一般呈现“生物惰性”或“生物活性”。
目前的表面改性技术主要分湿法和干法两类：湿法 是利用从液相中发生各种化学反应从而进行表面改 性的技术，有Sol—gel法、水热合成法、电化学沉积 法、自组装单层膜法等；干法是在气相中进行各种 反应或沉积，有等离子喷涂法、物理气相沉积法、 化学气相沉积法和激光熔覆法等。