医用金属材料讲稿
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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。
11
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。
第四章医用金属材料
间的一个屏障，降低金属的腐蚀 • 钝化的作用：使金属在一定条件下，阳极反应受阻，从而提高耐蚀性 • 常用的钝化元素：Cr，Al，Si，(Mo， Cu)
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。
18－8不锈钢组织
• 平衡组织： A＋F＋M23C6 缓冷沿ES线析出碳化物 缓冷至SK线以下，还要发生部分γ相转变为α 相
• 奥氏体不锈钢是经淬火热处理得到：单一A 加热到ES线以上，碳化物溶于A中，经淬火 ，高温状态的碳等元素的过饱和固溶体保持 到室温，得到单一的奥氏体组织
2） 奥氏体不锈钢的晶间腐蚀
?三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
第四章医用金属材料
1
概述
• 定义： • 应用：
疲劳强度(MPa)
应用比例呈下降趋势。
（三）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
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。
18－8不锈钢组织
• 平衡组织： A＋F＋M23C6 缓冷沿ES线析出碳化物 缓冷至SK线以下，还要发生部分γ相转变为α 相
• 奥氏体不锈钢是经淬火热处理得到：单一A 加热到ES线以上，碳化物溶于A中，经淬火 ，高温状态的碳等元素的过饱和固溶体保持 到室温，得到单一的奥氏体组织
2） 奥氏体不锈钢的晶间腐蚀
?三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
第四章医用金属材料
1
概述
• 定义： • 应用：
疲劳强度(MPa)
应用比例呈下降趋势。
（三）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
生物医用金属材料PPT
详细描述
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
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
医用金属材料PPT课件
25
• （2）生物相容性：钛及钛合金的缺点是硬度较低，耐磨性差。
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。
795～1000 1790 600
CoNiCrMoWF 冷加工 e
828
退火(ISO)
276
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 － － － －
• 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。
• 形状记忆合金可用于拱形牙齿矫正。
• 3.5 其他金属
• （1）医用钽
•
钽是化学活性很高的金属，在生理或其它环境中，甚至在缺氧的状态
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.。
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。
第四章医用金属材料
间的一个屏障，降低金属的腐蚀 • 钝化的作用：使金属在一定条件下，阳极反应受阻，从而提高耐蚀性 • 常用的钝化元素：Cr，Al，Si，(Mo， Cu)
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
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ppt课件
医用金属材料
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
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
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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
生物材料导论-医用金属文稿演示
ASTM F-138 SUS316L
485
40
217
JIS H 4303 SUS316L G4303(棒) 4308(线材)
ISO 5832-1 A
B
480
515 480
40
187
Hale Waihona Puke 40 40不锈钢器件植入体内，其合金元素会通过生理腐蚀和磨蚀 而导致金属离子溶出，后者进入组织液会引起机体的一些 不良反应。在一般情况下，人体组织只能容忍微量金属离
子存在，因此必须严格控制医用不锈钢在体内的金 属离子溶出。医用不锈钢的合金元素多，且有强 的负电性，能够变化其电子价态，并与体内的有 机和无机物质化合而形成复杂的化合物。
在铁、镍、铬、铝、钒等主要合金元素中，对机体 组织影响比较清楚的是
铁，它与血红细胞结合可形成铁血黄素。 铬能与机体内的丝蛋白结合。 机体过量富集镍有可能诱发肿瘤的形成。 钒具有很强的细胞素性早已被试验所证实。 通常医用不锈钢的小量腐蚀不会引起组织的明 显变化，但量大时会引起水肿、感染、组织坏死或 过敏反应。
医用金属材料与普通金属材料的价格差别
普通钢
SUS316L不锈钢
Co-Cr系合金
纯钛
Ti－6%Al－4%V 吨
钛合金
4万日元/吨 110万日元/吨 1,600万日元/吨 500万日元/吨 1,000万日元/
拉 伸 试 验
抗张强度
ZrO2陶瓷 Al2O3
钛合金
不锈钢 (SUS316L)
骨
HDPE
应变 各种材料的抗张强度和应变的关系 （注：曲线下所占面积越大，材料的韧性就越高）
医用不锈钢的临床应用： 在骨科常用来制作各种人工关节和骨折内固定器，如人工髋
生物医用材料系列4--生物医学金属材料ppt课件
.
34
金属的毒性主要作用于细胞，可抑制酶的活动， 阻止酶通过细胞膜扩散和破坏溶酶体。
利用测定乳酸脱氢酶(LDH)和6~磷酸葡萄糖脱氢 酶(G~6~PD)活性法检测植入金属对鼠类吞噬细胞的 影响，可以表明；
✓ 有毒金属如钴镍和钴铬合金能损伤细胞，释放 LDH， 降低G~6~PD的活性，
✓ 但钛、铬、钼则能为吞噬细胞所耐受。
.
23
.
24
.
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提高金属的抗蚀性能措施：
主要依靠其表面保护层和光洁度。 表面保护层借助钝化来实现。铬有最佳的钝化性 能，故合金中含铬量高越易钝化。 金属表面抛光越细，表面活化中心出现越晚，耐 蚀性也随之提高。 除金属材料必须具有良好的钝化性能、合适的成 分与结构外，技术人员必须有正确的操作技术。
– 静力下股骨头负荷压力从头凸面呈放射状向内 传递，应力增高，股骨近端内侧承受的后应力 较大。如股骨头负荷为45.36kg 时，股骨近端内 侧骨皮质应力高达8.27Mpa. 由强大肌力牵拉， 实际应力比理论值还要大三倍。
.
41
人工股骨头每年还要经受3.65106次交变载荷（ 每日一万步计），故材料必须具有高抗疲劳和耐磨损 性能。
+++ 100
0
±
钨W 183.5 1.25
+++ 100
0
-
Te
3
1.28
0
127.6
Ⅶ
锰Mn 054.94 0.52
100 稍抑制 18
+
Ⅷ
铁Fe 55.85 0.55 0.00 -
100 抑制
32
++
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
• (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 － － － － － －
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。
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• 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。
•
接影响到植入器件的寿命）
• 抗疲劳性能
• (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。
• 常用医用金属材料
– 不锈钢 – 钴（Co）基合金 – 钛（Ti）基合金 – 形状记忆合金 – 贵金属 – 纯金属钽 – 纯金属铌 – 纯金属铬
（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，
295
35
－
690
12
－
• 不锈钢的耐蚀性和屈服强度可以通过冷加工而 提高，避免疲劳断裂。
• 铁基耐蚀合金（一般由铁、铬、镍、钼、锰、 硅组成），易加工、价格低廉 。
• 一般不锈钢制成多种形体，如针、钉、髓内针 、齿冠、、三棱钉等器件和人工假体而用于临 床，不锈钢还用于制作各种医疗仪器和手术器 械。
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• 表3.1 316和316L不锈钢材料的力学性能
材料 状态 退火态
316 冷精轧 冷加工 退火态
316L 冷精轧 冷加工
抗拉强度 /MPa 515 620 860 505 605 860
屈服强度/MPa 205
延伸率/% 40
洛氏硬度 /HRB
95
310
35
－
690
12
300～350
195
40
95
（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。
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-Ni-Cr-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。
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
不锈钢骨固定螺钉和骨固定板
器械包
（二）钴基合金
含有较高的铬和钼，又称钴铬钼合金，钴基合金人体 内一般保持钝化状态，与不锈钢比较，钴基合金钝化膜 更稳定，耐蚀性更好（比不锈钢高40倍）；在所有医用 金属材料中，其耐磨性最好；植入体内不会产生明显的 组织反应，适合于制造体内承载苛刻的长期植入件。
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。
• 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。
3Cr13和 4Crl3型马氏体不锈钢用于医疗器械，如 刀、剪、止血钳、针头等。 00Cr18Ni10型奥氏体不锈钢可制作各种人工关节 和骨折内固定器；在口腔科常用于镶牙、矫形和牙 根种植等器件的制作。
3 常用医用金属材料
（一） 不锈钢 （1）分类、组成和性能
按显微组织的特点可分为: 奥氏体不锈钢 铁素体不锈钢 马氏体不锈钢 沉淀硬化型不锈钢等
•
表1 几种主要的不锈钢的组成、性能和组织 ◆
◆
铁素体和马氏体不锈钢的耐蚀性随含碳量的降低 和含铬量的增加而提高。
•
奥氏体不锈钢是在铁-铬系统中再加入8%以上的镍形
口腔、骨板、骨钉、人工髋关节
表2 几种主要的钴基合金的组成、性能和组织
较低
•
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
第2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. 医用金属材料概述
• 在生物医学材料中，金属材料应用最早，已有 数百年的历史。唐代就用银汞合金（主要成份 ：汞、银、铜、锡、锌）来补牙。
• 医用金属材料是指一类用作生物材料的金属或 合金，又称外科用金属材料。它是一类生物惰 性材料。
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， 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
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。