医用金属材料共44页
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。
医用金属材料优秀课件(共67张PPT)
2.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。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。
无炎性反应，不引起感染，不被排斥。
• (2)优良的机械性能:
有助于愈合和附着。
•
强度与弹性模量（与生物体匹配）
• 人体骨的强度不高，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
• 健康骨骼还具有自行调节能力，不易损坏或断裂。与人体骨相反，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
≤2.00 － －
≤0.10 －
14～16 － － －
≤0.20 － － －
余量 － － － － － － － － －
≤0.03
≤0.015
≤0.018
≤0.25 － － －
余量 5.5～6.5 3.4～4.5
－ － － － － － －
≤0.05
≤0.0125
≤0.13 0.40合计
第十三页，共67页。
医用钴基合金的制造加工方法主要有精密铸造、机械变形加工和粉末冶金三种。
健第康四骨 十骼四•还页具，有共自67行页调。2节0能世力纪，不5易0损年坏或代断裂，。 316不锈钢的碳含量由0.08%降低为0.03%， 表3-2为常用医进用一金属步材料提的成高分表了，相其应的在机械含性C能l见溶表3-液1 体系中的耐蚀性能，降低了材料致
钢铁材料及其用途.pptx
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二、合金工具钢
合金工具钢是制造刃具、量具和模具的钢种。不仅有更高的硬度 和耐磨性,还具有更高的红硬性。
1、合金刃具钢
用途：主要用于制造各种
铣
金属切削刀具，如车刀、铣刀、
刀
钻头等。
英制模板刀
性能： （1）高硬度，60HRC以上； （2）高的耐磨性； （3）高热硬性 ； （4）足够的塑性和韧性能钢是指具有特殊物理和化学性能的一种高合金 钢.它主要包括不锈钢,耐磨钢等.
1、不锈钢 能抵抗大气,酸,咸或其它介质腐蚀的钢。
不锈钢在石油化工、国防工业和一些尖端科学技术及日常生 活中都得到广泛应用，例如化工装置中的各种管道、阀门和泵， 医疗手术器械，防锈刃具和量具等。
碳钢
1、常存杂质对碳钢性能影响
•
（3）硫的影响
杂质S几乎不溶于铁素体，而与Fe形成FeS存在于钢中或与Fe形成 共晶体。FeS及其共晶体溶点均低于热形变加工温度（1150～1250℃）， 使钢在热形变加工中产生“热脆性”。Mn使硫形成MnS，其熔点高达 1620℃，从而消除S引起的热脆性。
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前两位数字表示平均含碳量的万倍，后面数字表示合金元素的 百倍。如60Si2Mn,40Cr等。Wc=0.60%
(2)合金工具钢的牌号 其牌号表示方法与合金结构钢类似，但其平均 Wc>1% 时不标出；当Wc<1%前面数字表示含碳量的千倍。 如：9SiCr, Cr12,5CrMnMo等。Wc=0.9% 但高速钢不标含碳量，只写出合金元素符号及其含量。
合金调质钢、合金轴承钢
合金钢
合金工具钢
合金刃具钢：低刃合具金钢刃、具高钢速、钢高合金 合金模具钢 ：冷作模具钢、热作模具钢
生物医用敏感材料
凝胶上可显著增加凝胶收缩
速率
PNIPAm 疏水成
核作用
用PNIPAm类水凝胶可实现脉冲药品释放(ON/OFF释放)，可望 用于口服、植入或透皮药品释放体系。
生物医用敏感材料
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N－取代基疏水性对凝胶温度刺激响应影响：
疏水性增大
取代基疏水性
越强，凝胶在体 积相转变温度处 产生体积改变越 大，温度响应越 显著，且相变温 度越低。
如羧基或氨基，这些基团解离受外界pH影响： （1）pH改变时，解离程度改变，造成凝胶内外
离子强度改变； （2）解离还会破坏凝胶内氢键，交联点降低，
造成网络结构发生改变，引发溶胀。 ▪ 相体积转变可逆
生物医用敏感材料
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2. 甲基丙烯酸烷酯（n-AMA）和二甲基氨乙 基丙烯酸酯（DMA）交联凝胶
SMP是指对已经赋形高聚物在一
定条件下（如加热、光照、改变酸碱度、 磁场等）实施变形，将这种变形状态保 留下来；当聚合物再进行加热、光照或 者改变酸碱度等刺激时候，聚合物又能 够恢复到其原来赋形状态
生物医用敏感材料
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Time series photographs that show the recovery of a shape-memory tube. (a)-(f) Start to finish of the process takes a total of 10 s at 50°C. The tube was made of a poly(ε-caprolactone)dimethacrylate polymer network (the Mn of the network’s switching segments was 104 gmol-1) that had been programmed to form a flat helix.
金属材料的力学性能
需屡次测量。
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〔三〕维氏硬度(HV)
(1)测试原理
和布氏硬度试验原理根本一样。 (2)表示方法
例如：640HV30/20。 (3)适用范围
用于测量金属镀层薄片材料和化学热处理后的外表硬度。
❖ 强度越高，说明材料在工作时越可以承受较 高的载荷。当载荷一定时，选用高强度的材 料，可以减小构件或零件的尺寸，从而减小 其自重。
❖ 因此，提高材料的强度是材料科学中的重要 课题，称之为材料的强化。
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三、塑性
〔一〕 定义 金属材料断裂前发生永久变形的能力。
〔二〕衡量指标
伸长率： 试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。
一、拉伸实验
❖ 〔GB/T228-2002〕
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1. 拉伸试样〔GB6397-86〕
长试样：L0=10d0
短试样：L0=5d0
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万能材料试验机 a) WE系列液压式 b) WDW系列电子式
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S1——颈缩处的横截面积,mm2 。
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塑性的意义
❖ 任何零件都要求材料具有一定的塑性。很显 然，断后伸长率A和断面收缩率Z越大，说明 材料在断裂前发生的塑性变形量越大，也就 是材料的塑性越好。
❖ 意义： a〕平安，防止产生突然破坏； b〕缓和应力集中； c〕轧制、挤压等冷热加工变形。
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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。
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•
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。
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.。
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 － － － －
贵金属、医用钛、钽、铌、锆等单质金属，以及不 锈钢、钴基合金、钛合金、镍钛形状记忆合金、磁 性合金等等。
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:
பைடு நூலகம்
－
（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
• （3）临床应用
•
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
－
－
• （2）生物相容性
从耐蚀性看，它也是所用医用金属材料中最好的，一般认为植入 人体后没有明显的组织学反应。但用铸造钴基合金制作的人工髋关节 在体内的松动率较高，其原因是由于金属磨损腐蚀造成Co、Ni等离子 溶出，在体内引起巨细胞和组织坏死，从而导致患者疼痛以及关节的 松动、下沉。钴、镍、铬还可以产生皮肤过敏反应，其中以钴最为严 重。
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
• 定义：是一种用作生物医用材料的金属或合金，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。
• 应用： 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。 目前临床应用的金属植入材料主要包括：医用
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。
•
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。
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。铸造和锻造 合金都具有优良的抗蚀性能。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。
（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。
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
• 表3.2 典型钴基合金性能
种类 CoCrMo
CoCrWMo CoNiCrMo
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
屈服强度 (MPa) 515 533 962 450 350 1310 310
240～655 1585 275
抗拉强度 (MPa) 725 1143 1507 665 862 1510 860