医用金属材料

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。
• 表3.2 典型钴基合金性能
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 － － － － － －
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.。
医用金属材料概述 及其研究进展
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
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。 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 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。
•
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 － －
• 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。
• 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。
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• (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）
316
冷精轧 冷加工 退火态
316L
冷精轧 冷加工
（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， • 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。
CoCrWMo CoNiCrMo
CoNiCrMoWF e
• （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。
• (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