生物医用金属材料
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对开孔AZ91镁合金骨修复支架材料的生物相容性研究表明, 镁的降解对周围骨组织不造成任何有害影响, 且在植入物周围的骨 细胞增殖明显。
调节多孔镁材料的孔隙率和孔径使得多孔生物镁与人骨具有相 同或相近的弹性模量, 当孔隙率为35%、孔径为70um时，杨氏模 量为1.3GPa，与人体骨骼的力学性能最为相近，这就可以减少应 力屏蔽现象。
生物高分子材料制造的人造皮肤
高分子材料制成的人造血管
陶瓷材料制成的人造骨
生物医用材料
• 生物医用金属材料 （不锈钢、钴基合金、钛和钛合金以及贵金属 ）
高强度、良好的韧性、抗弯曲疲劳强度大、加工性能优异
• 生物医用有机材料（主要指有机高分子材料） • 生物医用无机非金属材料（主要指生物陶瓷、生
物玻璃和碳素材料） • 生物医用复合材料 （金属基-陶瓷涂层体系等）
多孔镁植入人体后,这些孔洞便可让新的骨组织长入其内部,便 于人体体液和养料的传送。
镁基合金的腐蚀行为
• 镁基合金耐蚀性能较差，腐蚀速度过快成为限制 其应用的原因之一
影响因素 • 杂质和合金元素的引入——电偶腐蚀 • 溶液PH值
可能降解机制 • 水解 酸性，碱性，Cl• 酶解
如何提高耐腐蚀性
• 高纯镁合金和新合金的开发 （1）纯化-降低Fe、Ni、Cu和Co等有害杂质含量 （2）改变合金微观组织（稀土、耐腐蚀合金元素
生物医用金属材料
• 不锈钢 316L不锈钢-医用人工关节
316L主要成分: 碳≤0.03，矽≤1.00，锰≤2.00，磷≤0.045， 硫0.03，镍11-14，铬16-18，钼2-3
廉价、容易缝隙腐蚀或摩擦腐蚀以及疲劳腐蚀破裂
• 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
• 很低的标准电极电位（-2.37V），耐腐蚀性差，可降解。
镁基合金
发展概况
• 1907年 • 20世纪90年代 • 现状 心血管支架 骨固定材料 多孔骨修复材料
镁基材料的孔
（１）心血管支架
心血管支架是用于治疗心血管疾病的植入器械。 利用镁的易降解性能（镁及镁合金具有很低的标准 电极电位（-2.37V）, 在含有氯离子的人体生理环 境中耐蚀性更差）制成可降解心血管支架。
Zartner等将一个直径3cm、长10cm 的可降解 镁支架植入一个6周大的女婴体内, 成功地治愈了其 左肺动脉堵塞。应用表明, 镁支架在4个月内完全降 解, 在降解过程中, 没有对患者的生理造成任何不适 影响。
（２）骨固定材料
镁及镁合金密度1.7g/cm3, 与人骨密度 (1.75g/cm3)接近, 有效降低应力遮挡效应，同时镁易 降解生成镁离子被人体组织吸收或通过体液排出体外。
Witte等研究镁合金作为骨植入材料的可行性，他们 将不同镁合金制成的1.5mm*20mm小棒植入豚鼠股骨, 研究发现镁植入物在18周内基本降解, 且在降解的镁棒部 位有新骨质形成。此外有研究发现镁可以引导成骨细胞在 植入部位的生长。
（３）多孔骨修复材料
目前常用于骨修复的生物材料主要有聚乳酸、聚己内酯等高 分子材料和钛合金, 但这些材料同样具有力学性能不匹配及生物毒 性等弊端
生物医用金属材料
王欢 2008年6月12日
生物医用材料
• 生物医用材料
能够植入生物体或与生物组织相 结合的材料，可用于诊断、治疗， 以及替换生物机体中的组织、器官 或增进其功能
特点
• 良好的组织相容性 • 物理和化学稳定性好 • 易于加工成型，材料易于制
造，价格适当 • 与血液接触的材料须具有良
好的血液相容性
钛合金人工髋关节
缺点 含有Al元素
导致器官的损伤，引起骨软化、贫血和神经紊乱等症状
“应力遮挡”现象
与骨弹性模量之间的不匹配，为骨弹性模量的4-10 倍，使得载荷不能由种植体很好地传递到相邻骨组织， 从而导致种植体周围出现骨吸收，最终引起种植体松动 或断裂，造成种植失败。
镁基合金
• 镁是人体内含量最多的阳离子之一。参与人体内几乎所有的新 陈代谢过程
MnZn）
• 表面改性 （1）稀土转化膜 （2）碱处理、热处理对镁及镁合金的表面改性
小结
• 生物金属材料在临床治疗上有重要意义 • 镁及其合金
优良的综合力学性能 +良好的生物相容性 +生物可降解吸收性 新型医用植入材料具有巨大的优势和潜力，但由 于其抗腐蚀性能差，目前国内外的研究主要集中 在镁及其合金在体内外的降解机理以及表面改性 这两个方面。
• 高比强度和比刚度, 加工性能良好 （比强度：纯镁 133GPa 超高强度镁合金480GPa
Ti6-Al4-V合金260Gpa
• 弹性模量（45GPa）更接近人骨的弹性模量（7-25GPa ）， 减轻应力遮挡现象；
• 密度（1.7g/cm3）与人骨密度(1.75g/cm3)接近，符合理想 接骨板的要求。
生物相容性好，价格较高，Co、Ni元素存在严重致敏性
• 贵金属（金、银、铂）以及类贵金属（钽、铌、锆等）
生物相容性好、化学稳定钛基合金
Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Fe、 Ti-6Al-7Nb合金、新型β钛合金 无毒、质轻、强度高、生物相容性好、耐腐蚀、广泛应用
Thank you for your attention!
By 王欢
2008.6.12
调节多孔镁材料的孔隙率和孔径使得多孔生物镁与人骨具有相 同或相近的弹性模量, 当孔隙率为35%、孔径为70um时，杨氏模 量为1.3GPa，与人体骨骼的力学性能最为相近，这就可以减少应 力屏蔽现象。
生物高分子材料制造的人造皮肤
高分子材料制成的人造血管
陶瓷材料制成的人造骨
生物医用材料
• 生物医用金属材料 （不锈钢、钴基合金、钛和钛合金以及贵金属 ）
高强度、良好的韧性、抗弯曲疲劳强度大、加工性能优异
• 生物医用有机材料（主要指有机高分子材料） • 生物医用无机非金属材料（主要指生物陶瓷、生
物玻璃和碳素材料） • 生物医用复合材料 （金属基-陶瓷涂层体系等）
多孔镁植入人体后,这些孔洞便可让新的骨组织长入其内部,便 于人体体液和养料的传送。
镁基合金的腐蚀行为
• 镁基合金耐蚀性能较差，腐蚀速度过快成为限制 其应用的原因之一
影响因素 • 杂质和合金元素的引入——电偶腐蚀 • 溶液PH值
可能降解机制 • 水解 酸性，碱性，Cl• 酶解
如何提高耐腐蚀性
• 高纯镁合金和新合金的开发 （1）纯化-降低Fe、Ni、Cu和Co等有害杂质含量 （2）改变合金微观组织（稀土、耐腐蚀合金元素
生物医用金属材料
• 不锈钢 316L不锈钢-医用人工关节
316L主要成分: 碳≤0.03，矽≤1.00，锰≤2.00，磷≤0.045， 硫0.03，镍11-14，铬16-18，钼2-3
廉价、容易缝隙腐蚀或摩擦腐蚀以及疲劳腐蚀破裂
• 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
• 很低的标准电极电位（-2.37V），耐腐蚀性差，可降解。
镁基合金
发展概况
• 1907年 • 20世纪90年代 • 现状 心血管支架 骨固定材料 多孔骨修复材料
镁基材料的孔
（１）心血管支架
心血管支架是用于治疗心血管疾病的植入器械。 利用镁的易降解性能（镁及镁合金具有很低的标准 电极电位（-2.37V）, 在含有氯离子的人体生理环 境中耐蚀性更差）制成可降解心血管支架。
Zartner等将一个直径3cm、长10cm 的可降解 镁支架植入一个6周大的女婴体内, 成功地治愈了其 左肺动脉堵塞。应用表明, 镁支架在4个月内完全降 解, 在降解过程中, 没有对患者的生理造成任何不适 影响。
（２）骨固定材料
镁及镁合金密度1.7g/cm3, 与人骨密度 (1.75g/cm3)接近, 有效降低应力遮挡效应，同时镁易 降解生成镁离子被人体组织吸收或通过体液排出体外。
Witte等研究镁合金作为骨植入材料的可行性，他们 将不同镁合金制成的1.5mm*20mm小棒植入豚鼠股骨, 研究发现镁植入物在18周内基本降解, 且在降解的镁棒部 位有新骨质形成。此外有研究发现镁可以引导成骨细胞在 植入部位的生长。
（３）多孔骨修复材料
目前常用于骨修复的生物材料主要有聚乳酸、聚己内酯等高 分子材料和钛合金, 但这些材料同样具有力学性能不匹配及生物毒 性等弊端
生物医用金属材料
王欢 2008年6月12日
生物医用材料
• 生物医用材料
能够植入生物体或与生物组织相 结合的材料，可用于诊断、治疗， 以及替换生物机体中的组织、器官 或增进其功能
特点
• 良好的组织相容性 • 物理和化学稳定性好 • 易于加工成型，材料易于制
造，价格适当 • 与血液接触的材料须具有良
好的血液相容性
钛合金人工髋关节
缺点 含有Al元素
导致器官的损伤，引起骨软化、贫血和神经紊乱等症状
“应力遮挡”现象
与骨弹性模量之间的不匹配，为骨弹性模量的4-10 倍，使得载荷不能由种植体很好地传递到相邻骨组织， 从而导致种植体周围出现骨吸收，最终引起种植体松动 或断裂，造成种植失败。
镁基合金
• 镁是人体内含量最多的阳离子之一。参与人体内几乎所有的新 陈代谢过程
MnZn）
• 表面改性 （1）稀土转化膜 （2）碱处理、热处理对镁及镁合金的表面改性
小结
• 生物金属材料在临床治疗上有重要意义 • 镁及其合金
优良的综合力学性能 +良好的生物相容性 +生物可降解吸收性 新型医用植入材料具有巨大的优势和潜力，但由 于其抗腐蚀性能差，目前国内外的研究主要集中 在镁及其合金在体内外的降解机理以及表面改性 这两个方面。
• 高比强度和比刚度, 加工性能良好 （比强度：纯镁 133GPa 超高强度镁合金480GPa
Ti6-Al4-V合金260Gpa
• 弹性模量（45GPa）更接近人骨的弹性模量（7-25GPa ）， 减轻应力遮挡现象；
• 密度（1.7g/cm3）与人骨密度(1.75g/cm3)接近，符合理想 接骨板的要求。
生物相容性好，价格较高，Co、Ni元素存在严重致敏性
• 贵金属（金、银、铂）以及类贵金属（钽、铌、锆等）
生物相容性好、化学稳定钛基合金
Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Fe、 Ti-6Al-7Nb合金、新型β钛合金 无毒、质轻、强度高、生物相容性好、耐腐蚀、广泛应用
Thank you for your attention!
By 王欢
2008.6.12