医用金属材料材料知识简介
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。
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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。
医用金属材料讲解
• 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。
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
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。
常用医用金属材料.
常用医用金属材料概述生物医用金属材料(biomedical metallic materials)用于整形外科、牙科等领域。
由它制成的医疗器件植人人体内，具有治疗、修复、替代人体组织或器官的功能，是生物医用材料的重要组成部分。
生物医用金属材料是人类最早利用的生物医用材料之一，其应用可以追溯到公元前400～300年，那时的腓尼基人就已将金属丝用于修复牙缺失。
1546年纯金薄片被用于修复缺损的颅骨。
直到1880年成功地利用贵金属银对病人的膝盖骨进行缝合，1896年利用镀镍钢螺钉进行骨折治疗后，才开始了对金属医用材料的系统研究。
本世纪30年代，随着钻铬合金、不锈钢和钛及合金的相继开发成功并在齿科和骨科中得到广泛的应用，奠定了金属医用材料在生物医用材料中的重要地位。
70年代，Ni-Ti形状记忆合金在临床医学中的成功应用以及金属表面生物医用涂层材料的发展，使生物医用金属材料得到了极大的发展，成为当今整形外科等临床医学中不可缺少的材料。
虽然近20年来生物医用金属材料相对于生物医用高分子材料、复合材料以及杂化和衍生材料的发展比较缓慢，但它以其高强度、耐疲劳和易加工等优良性能，仍在临床上占有重要地位。
目前，在需承受较高荷载的骨、牙部位仍将其视为首选的植人材料。
最重要的应用有：骨折内固定板、螺钉、人工关节和牙根种植体等。
生物医用金属材料要在人体内生理环境条件下长期停留并发挥其功能，其首要条件是材料必须具有相对稳定的化学性能，从而获得适当的生物相容性。
迄今为止，除医用贵金属、医用钛、袒、锯、铅等单质金属外，其他生物医用金属材料都是合金，其中应用较多的有：不锈钢、钴基合金、钛合金、镍钛形状记忆合金和磁性合金等。
第一节生物医用金属材料的特性与生物相容性生物医用金属材料以其优良的力学性能、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。
由于金属材料在组成上与人体组织成分相距甚远，因此，金属材料很难与生物组织产生亲合，一般不具有生物活性，它们通常以其相对稳定的化学性能，获得一定的生物相容性，植人生物组织后，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。
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 － － － － － －
医用金属材料相关知识
腐蚀疲劳
腐蚀疲劳是指金属材料在交变应力的共同作用下产生 的断裂现象。腐蚀疲劳裂纹总是从植入器件表面发生 ，所以可以对植入器件喷丸处理提高疲劳寿命。
2021/9/10
6
医用金属材料严格满足如下要求：
1 有足够的力学强度和抗疲劳性能 2 有极好的耐腐蚀性能 ,无磁性 3 必须无毒、无致癌性与过敏反应 4 具有良好的光洁度
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术后6个月，钛人工骨完全吸收，骨折愈合，患者左上臂 活动恢复正常
2021/9/10
10
钛及钛合金的优势：
1 质轻
20℃时密度为 4.5 g/cm3，仅为不锈钢的 56%。 植入人体内大幅度减轻了人体的负荷量，作为医 疗器械也减轻了医务人员操作负荷。
2 弹性模量低
为 108 500 MPa，仅为不锈钢的53%，植入人体 内与人体自然骨更接近，有利于接骨，能够减少 骨头对植入物的应力屏蔽效应。
3 无磁性
钛及钛合金是无磁性金属，不受电磁场和雷雨天 气的影响，这有利于使用后的人体安全。
2021/9/10
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钛及钛合金的优势：
4 无毒性
钛及钛合金的无毒性，作为植入物对人体无毒 副作用。
5 抗腐蚀性
在人体血液的浸泡环境中具有优异的耐腐蚀性，保 证了与人体血液及细胞组织的相容性好，作为植入 物不产生人体污染，不会发生过敏反应。
颅骨
2021/9/10
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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。
材料学界专家积极开发无铝、钒的新型钛合金，如：Ti-13Nb-13Zr 钛合金（ ASTM F1713-1996）、Ti-12Nb-6Zr-2Fe钛合金（ AST M F1813-1996）、Ti-5Al-2.5Fe钛合金、Ti-6Al-7Nb钛合金
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
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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
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类应用于医疗领域的特殊金属材料，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、手术器械和医疗设备等领域。
生物医用金属材料主要包括钛合金、不锈钢、镍钛合金等，它们在医疗领域中发挥着重要作用。
首先，钛合金是目前应用最为广泛的生物医用金属材料之一。
钛合金具有低密度、高强度、良好的生物相容性和抗腐蚀性能，因此被广泛应用于人体植入物的制造，如人工关节、牙科种植体等。
钛合金的生物相容性能使其可以与人体组织良好结合，减少排异反应的发生，同时其优异的机械性能也能够满足植入物在人体内长期稳定运行的要求。
其次，不锈钢也是常见的生物医用金属材料。
不锈钢具有良好的强度和韧性，同时具有抗腐蚀性能，被广泛应用于手术器械和医疗设备的制造。
不锈钢制成的手术器械表面光滑、易清洁、耐腐蚀，能够满足医疗卫生要求，同时其优异的机械性能也能够满足手术器械在使用过程中的要求。
此外，镍钛合金也是一种重要的生物医用金属材料。
镍钛合金具有记忆效应和超弹性，被广泛应用于心血管介入治疗领域。
其具有形状记忆特性，可以在体内完成形状变化，用于支架、夹具等医疗器械的制造，同时其超弹性能也能够减少植入过程中对患者组织的创伤。
总的来说，生物医用金属材料在医疗领域中发挥着重要作用，它们的优异性能为医疗器械和植入物的制造提供了重要的材料基础。
随着医疗技术的不断发展，生物医用金属材料也将不断得到改进和应用，为医疗领域的发展和患者的健康提供更好的支持。
生物医用材料的种类及应用
生物医用材料的种类及应用
一、生物医用材料的种类
1、金属材料
金属材料具有良好的机械特性，其中常用的金属材料包括钛材料、钢
材料、不锈钢材料、铝合金等。
它们通常用于制造医疗器械（例如刀具、
针管、器官移植支架）以及一些器械设备，如内窥镜、微创手术的器具等。
2、陶瓷材料
陶瓷材料是一种熔体结晶性材料，具有良好的刚性、热导率和耐热性
特征，常用的陶瓷材料包括氧化铝陶瓷、三氧化硅系陶瓷、氧化铝自熔质
陶瓷等。
它们在医疗领域的应用非常广泛，如制造血液净化膜、体外血液
流变仪等。
3、高分子材料
高分子材料是以热塑性聚合物为主的多种物质的总称，具有良好的柔
韧性和可加工性，常用的高分子材料有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚甲
醛等。
它们的应用主要是用于制造生物相容性的医疗器械。
例如人工植入物、组织修复材料、心脏假体等。
4、纳米材料
纳米材料是指重量在一吨以下，体积在10-9m3以下的微型材料。
纳
米材料具有极好的生物相容性，可以用于制造人工器官和生物体内的结构
材料，例如纳米纤维、纳米胶囊等。
二、生物医用材料的应用
1、生物活性器件
生物活性器件是将器件与生物体（例如人体）结合制成的新型器件。
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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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
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
常用医用金属材料—不锈钢
奥氏体不锈钢——医疗应用
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。 缺点 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。
晶界强化
细化晶粒
提纯强化
相变强化基础 多相组织
终端工业用户使用方法
材料—金属材料
总结
具有 特定性能 （硬度、强度等）的金属
组织 单相或多相 多晶体 单晶体 金属正离子、自由电子（通过金属键结合）
医用金属材料
定义？
用于人体硬组织修复和替换的金属材料
植入物 （生物医用金属材料）
用于制作人体疾患治疗用工具的金属材料
减少原电池数目——单相不锈钢 形成钝化膜——不锈钢钝化处理 减小电极电位差——合金化（基本元素Cr）
常用医用金属材料—不锈钢
铁素体不锈钢
马氏体不锈钢
不锈钢 分类
奥氏体不锈钢 双相不锈钢 沉淀硬化不锈钢
常用医用金属材料—不锈钢
铁素体不锈钢
•元素：Wcr=13%~30%，Wc＜0.25% （有时也会加入其它元素） •金相组织：δ 铁素体，加热过程中无相变，不能进行 热处理强化 •优点：耐蚀性极好 •缺点：韧性低，脆性大 •用途：用于制作耐蚀性要求较高而强度要求较低的构 件，广泛用于制造生产硝酸、氮肥等设备和化 工使用的管道
常用医用金属材料—不锈钢
沉淀硬化不锈钢 •以Cr18Ni9钢为基础发展起来的“奥氏体-马氏体”型 •以Cr13型马氏体不锈钢发站内起来的低碳马氏体沉淀 硬化不锈钢（典型之如17-4PH（00Cr17Ni4Cu4Nb）） •优点：既有优良的焊接性能，又有较高的强度
•原理：在形成马氏体基础上经过时效处理产生沉淀硬化而 得到超高强度（σb~1400-1850MPa）
α +β
工业纯钛（TA1~TA4） TA系列 TB系列 TC系列
钛合金
α 相：密集六方晶格
882.5℃
β相：体心立方晶格
Al、Sn、C、O、N……
V、Mo、Ta、Nb、Cr……
常用医用金属材料—钛合金
α钛合金 主要加入元素：Al
高温强度、低温韧性、耐蚀性能优异
不可以通过热处理强化 强度较低 医用常见牌号：TA1 ELI、TA1、TA2、TA3、 TA4
常用医用金属材料—不锈钢
奥氏体不锈钢
——医疗应用
常用医用金属材料—不锈钢
双相不锈钢
•元素：在奥氏体不锈钢基础上，增Cr减Ni •金相组织：奥氏体+铁素体（W铁素体=40%~60%） •优点：与奥氏体不锈钢相比有较好的焊接性能 •用途：广泛应用于石油化工设备、海水与废水处理设 备、输油输医用金属材料——特性与要求
1、良好的生物相容性 •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 •合适的强度与弹性模量 •较好的耐磨性 3、优良的耐腐蚀性能 •在复杂的体液环境中良好的耐蚀性
医用金属材料-应用
常用医用金属材料—钛合金
Ti-Zr系 Ti-Mo系 …… Ti6Al7Nb Ti5Al2.5Fe ……
Ti6Al4V
常用医用金属材料—不锈钢
什么是不锈钢？ 不锈钢为什么耐蚀？ 不锈钢的种类及应用？
常用医用金属材料—不锈钢
钢 铁
不锈钢：碳含量 一般低于0.3%
铁？钢？
常用医用金属材料—不锈钢
通常所说的不锈钢是不锈钢与耐酸钢的总称（不 锈钢不一定耐酸，但耐酸钢同时又是不锈钢） 所谓不锈钢是指能抵抗大气及弱腐蚀介质腐蚀的 钢种 腐蚀速度＜0.01mm/年为“完全耐蚀” 腐蚀速度＜0.1mm/年为“耐蚀” 耐酸钢是指在各种强腐蚀介质中能耐蚀的钢 腐蚀速度＜0.1mm/年为“完全耐蚀” 腐蚀速度＜1mm/年为“耐蚀”
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＜0.03%，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
金属的实际形态
点缺陷
线缺陷
面缺陷
材料—金属材料
固 溶 体
相
置换固溶体 间隙固溶体 金属间化合物（Fe3C）
组织
条带状珠光体（组织） 球状珠光体（组织）
材料—金属材料
终极目的：金属强化 提高合金的原子间结合力 向晶体内引入大量晶体缺陷
结晶强化
形变强化
固溶强化
相变强化 沉淀强化 (或称弥散强化) 马氏体强化 热处理
常用医用金属材料—不锈钢 不锈钢为什么耐蚀？
腐蚀形式：“电化学腐蚀”和“化学腐蚀”
电位差、腐蚀介质
防止腐蚀的着眼点： •尽可能减少原电池数目 •使钢表面形成一层稳定的、完整的、与钢的基体结合牢固的钝化膜 •在形成原电池的情况下，尽可能减少两极间的电极电位差
常用医用金属材料—不锈钢 不锈钢为什么耐蚀？
航 空 航 天 材 料
电 子 材 料
生 物 医 … … 学 … 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
材料—四要素
好处： (1)可以降低钛合金的塑性—脆性转变温度； (2)可以显著提高钛合金的断裂韧性
常用医用金属材料—钛合金
发展趋势
1）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； 2）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—钛合金
β 钛合金
主要加入合金元素：Mo、Cr、V、Al 可热处理：淬火加时效处理后，组织为β相基体上分布着细小的α相粒 子； 强度高 冶炼工艺复杂，焊接性能差 高温长时期稳定性能差（工业长用于350℃以下工作的结构件或紧固 件） 传统上未应用于医疗领域
常用医用金属材料—钛合金
α +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％
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