第三章 医用金属材料.pptx

第三章 医用金属材料目 录医用金属材料的特性与要求医用金属材料的腐蚀常用医用金属材料金属与合金表面涂层处理医用金属材料概述医用金属材料的研究进展生物医用金属材料1）用于口腔、矫形外科等硬材料 如镶牙 口腔整矫 人工关节 人工骨 2）用于医疗器械（心脏瓣膜支架、凝血过滤器（Ti合金）3）用于制药晕船药（铈） 抗贫血药物（铈、氧化锗）糖尿病（氧化铈）精神病（磷酸锂）去垢剂（硒） 止血剂（皓）消毒剂（碲）安眠剂（铷 铯）癌症（铂铬合金）金属植入材料生物医用金属材料：生物医用金属材料：优良的力学性能、易加工性和可靠性在临床医学中优良的力学性能、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料并驾齐驱，在整个生物医用材料应用中各各占占45%45%左右金属植入材料公元前400～300年，金属丝用于修复牙缺失；应用唐代 ：银膏补齿，成分是银、汞和锡，与银汞合金很相似 最先广泛应用于临床治疗：金、银、铂等贵金属，但以修补为主，良好化学稳定性及加工性能的最早作为植入材料：不锈钢（标准牌号302）18-8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。

优势：(1)生物惰性:即生物学反应最小(2)优良的机械性能:强度与弹性模量（与生物体匹配）人体骨强度不高，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倍由于金属材料在组成上与人体组织成分由于金属材料在组成上与人体组织成分 相距甚远，很难与生物组织产生亲合，相距甚远，很难与生物组织产生亲合， 一般不具有生物活性，具有相对稳定的一般不具有生物活性，具有相对稳定的 化学性能，获得一定的生物相容性化学性能，获得一定的生物相容性 植入生物组织后，总是以异物的形式被植入生物组织后，总是以异物的形式被 生物组织所生物组织所包裹包裹，使之与正常组织隔，使之与正常组织隔 绝问题：腐蚀与磨损金属植入材料 Fe Cr Co Ni Ti Ta Mo W体液腐蚀B2 细胞功能 有益 金属材料逐步损失力学性能 下降腐蚀产物超过一 定值 有毒 生物 相容性下降磨损金属植入材料的毒性毒性反应毒性反应与材料释放的化学物质和浓度有关与材料释放的化学物质和浓度有关。

若若在材料中需引入有毒金属元素来提高其他在材料中需引入有毒金属元素来提高其他性能性能1 1）首先）首先应考虑应考虑采用合金化采用合金化来减小或消除毒性，并提高其来减小或消除毒性，并提高其耐蚀性能耐蚀性能；；2 2）其次）其次采用表面保护层和提高光洁度等方法来提高抗蚀采用表面保护层和提高光洁度等方法来提高抗蚀性能金属的毒性主要金属的毒性主要作用于细胞，可抑制酶的活动，作用于细胞，可抑制酶的活动，阻阻止酶通过细胞膜的扩散止酶通过细胞膜的扩散和和破坏溶酶体破坏溶酶体，一般可通过组织，一般可通过组织或或细胞培养、急性和慢性毒性试验、溶血试验等来检细胞培养、急性和慢性毒性试验、溶血试验等来检测腐蚀的发生是一个缓慢的过程，其产物对生物机体的影响决 定植入器件的使用寿命金属植入材料的腐蚀腐蚀主要原因：医用金属材料植入体内后处于长期浸泡在含 有机酸、碱金属或碱土金属离子（Na+、K+、Ca2+）、Cl-离子 构成的恒温（37℃）电解质的环境中加速：蛋白质、酶和细胞的作用磨损和应力的反复作用，使材料在体内的磨损过程加剧腐蚀机制：可能发生多种腐蚀机制协同作用 因此，有必要了解材料在体内环境的腐蚀机制，从而指 导材料的设计和加工。

金属腐蚀分两类：（1）化学腐蚀 金属表面与介质如气体或非电解质 液体等因发生化学作用而引起的腐蚀，称为化学腐 蚀化学腐蚀作用进行时无电流产生2）电化学腐蚀 金属表面与介质如潮湿空气或电解 质溶液等，因形成微电池，金属作为阳极发生氧化而 使金属发生腐蚀这种由于电化学作用引起的腐蚀称 为电化学腐蚀金属植入材料的腐蚀电化学腐蚀的例子 ：铜板上的铁铆钉为什么特别容易生锈？带有铁铆钉的铜板若 暴露在空气中，表面被潮 湿空气或雨水浸润，空气 中的和海边空气中 的NaCl溶解其中，形成电 解质溶液，这样组成了原 电池，铜作阴极，铁作阳 极，所以铁很快腐蚀形成 铁锈化学或电化学反应全部在暴露表面上或在大部分表面上均匀进行的一种腐蚀腐蚀产物及其进入人体环境中的金属离子总量较大，影响到材料的生物相容性点腐蚀点腐蚀发生在金属表面某个局部，也就是说在金属表面出发生在金属表面某个局部，也就是说在金属表面出现了现了微电池作用微电池作用，而作为阳极的部位要受到严重的腐蚀而作为阳极的部位要受到严重的腐蚀临床资料证实，临床资料证实，医用医用不锈钢发生点蚀的可能性较大不锈钢发生点蚀的可能性较大1. 1. 均匀腐蚀均匀腐蚀2. 2. 点腐蚀点腐蚀生物金属材料在人体生理环境下的腐蚀主要 有八种类型：发生在两个具有不同电极电位的金属配件偶上的腐蚀。

多见于两种以上材料制成的组合植入器件，甚至在加工零件过程中引入的其他工具的微粒屑，以及为病人手术所必须使用的外科器械引入的微粒屑，也可能引发电偶腐蚀因此，临床上建议使用单一材料制作植入部件以及相应的手术器械、工具3. 3. 电偶腐蚀电偶腐蚀由于由于环境中化学成分的浓度分布不均匀引起的腐蚀环境中化学成分的浓度分布不均匀引起的腐蚀，属，属闭塞电池腐蚀，多发生在闭塞电池腐蚀，多发生在界面部位界面部位，如接骨板和骨螺钉，不，如接骨板和骨螺钉，不锈钢植入器件更为常见锈钢植入器件更为常见4. 4. 缝隙腐蚀缝隙腐蚀发生在材料内部晶粒边界上的一种腐蚀发生在材料内部晶粒边界上的一种腐蚀，可导致材料力，可导致材料力学性能严重下降一般可通过减少碳、硫、磷等杂质含量等学性能严重下降一般可通过减少碳、硫、磷等杂质含量等手段来改善晶间腐蚀倾向手段来改善晶间腐蚀倾向5. 5. 晶间腐蚀晶间腐蚀植入器件之间切向反复的相对滑动所造成的表面磨损植入器件之间切向反复的相对滑动所造成的表面磨损和磨蚀环境作用所造成的腐蚀和磨蚀环境作用所造成的腐蚀不锈钢的耐磨蚀能力较不锈钢的耐磨蚀能力较差，钴基合金的耐磨蚀能力优良差，钴基合金的耐磨蚀能力优良。

6 6. .磨蚀磨蚀材料在腐蚀介质中承受某些应力的循环作用所产生的材料在腐蚀介质中承受某些应力的循环作用所产生的腐蚀腐蚀，表面微裂纹和缺陷可使疲劳腐蚀加剧因此，提高，表面微裂纹和缺陷可使疲劳腐蚀加剧因此，提高表面光洁度可改善这一性能表面光洁度可改善这一性能7. 7. 疲劳腐蚀疲劳腐蚀在应力和腐蚀介质共同作用下出现的一种加速腐蚀的在应力和腐蚀介质共同作用下出现的一种加速腐蚀的行为行为在裂纹尖端处可发生力学和电化学综合作用，导致在裂纹尖端处可发生力学和电化学综合作用，导致裂纹迅速扩展而造成植入器件断裂失效裂纹迅速扩展而造成植入器件断裂失效钛合金和不锈钢钛合金和不锈钢对应力腐蚀敏感对应力腐蚀敏感，而钴基合金对应力腐蚀不敏感而钴基合金对应力腐蚀不敏感8. 8. 应力腐蚀应力腐蚀金属植入材料腐蚀研究腐蚀电势与pH关系图腐蚀区：大于等于10-6/l稳定区：小于10-6M钝化区： 10-6M金属、水、反应产物平衡Cl-缺点：不能确定腐蚀速率金属植入材料腐蚀研究腐蚀速率：腐蚀失重与离子释放速率金属植入材料腐蚀研究离子释放速率常见的金属植入材料最早的植入材料 不锈钢302 临床问题：耐蚀性很差 不锈钢添加Mo 改善了生理盐水中耐蚀性 316 不锈钢316不锈钢C (0.08%)下降到0.03%，提高了再氯化物中的耐蚀性316L不锈钢317L不锈钢但即使是牌号为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.种类表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5152054095316冷精轧62031035－冷加工86069012300～350退火态5051954095316L冷精轧60529535－冷加工86069012－表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，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性能表表2 2 金属材料成分（金属材料成分（ASTMASTM，，19781978））元素元素316316 不锈钢不锈钢316L316L317L317L铸钴合金铸钴合金锻钴合金锻钴合金1 1级纯铁级纯铁钛钛-6-6铝铝-4-4钒钒铁铁 钴钴 铬铬 镍镍 钛钛 铝铝 钒钒 碳碳 锰锰 磷磷 硫硫 硅硅 钼钼 钨钨 氯氯 氢氢 氧氧 其他其他5 59 9～～7070－－1717～～202012 12～～1414－－－－－－≤ ≤0.080.08≤2.00 ≤2.00≤0.03 ≤0.03≤0.03 ≤0.03≤0.75 ≤0.752.0 2.0～～4.04.0－－－－－－－－≤0.03≤0.031818～～2020 1111～～15153.03.0～～4.04.0≤0.75 ≤0.7557 57～～676727 27～～3030≤2.5 ≤2.5－－－－－－≤ ≤0.350.35≤1.00 ≤1.00－－－－≤ ≤0.100.10 5.05.0～～7.07.0－－－－－－－－≤3.0 ≤3.040 40～～565616 16～～21219 9～～1111－－－－－－ 0.050.05～～0.150.15≤2.00 ≤2.00－－－－≤ ≤0.100.10－－1414～～1616－－－－－－≤0.20≤0.20 －－ －－ －－ 余量余量 －－ －－ －－ －－ －－ －－ －－ －－ －－ ≤ ≤0.030.03 ≤0.015≤0.015 ≤0.018≤0.018≤0.25≤0.25 －－ －－ －－ 余量余量 5.55.5～～6.56.5 3.43.4～～4.54.5 －－ －－ －－ －－ －－ －－ －－ ≤ ≤0.050.05 ≤0.0125≤0.0125 ≤0.13≤0.13 0.400.40合计合计耐蚀性组成不锈钢不锈钢中的中的铬（铬（CrCr））可形成氧化铬钝化膜，改善可形成氧化铬钝化膜，改善抗腐蚀抗腐蚀能力能力 ；；镍（镍（NiNi）和铬（）和铬（CrCr））起到起到稳定稳定奥氏体结构的作用；镍的含奥氏体结构的作用；镍的含量为量为12%12%～～14%14%时，可得到单相奥氏体组织，防止转化为其他时，可得到单相奥氏体组织，防止转化为其他 性能不佳的结构性能不佳的结构。

降低降低不锈钢中的不锈钢中的SiSi、、MnMn等杂质元素及等杂质元素及非金属杂物非金属杂物，可进一步，可进一步提高材料的抗提高材料的抗腐蚀腐蚀能力除组成可以影响到材料的性能外，材料的制造和加工除组成可以影响到材料的性能外，材料的制造和加工工艺同样也可以在比较宽的范围内调节材料的力学性能和工艺同样也可以在比较宽的范围内调节材料的力学性能和耐腐蚀性能耐腐蚀性能 通常采用两种工艺生产医用不锈钢通常采用两种工艺生产医用不锈钢 对于对于低纯低纯度医用不锈钢，一般采用度医用不锈钢，一般采用惰性气体保护，真空或惰性气体保护，真空或非真空熔炼工艺生产非真空熔炼工艺生产而高纯高纯度医用不锈钢一般先通过度医用不锈钢一般先通过真空熔真空熔炼，然后再用真空电弧炉重熔或电渣重熔除去杂质炼，然后再用真空电弧炉重熔或电渣重熔除去杂质，使其钝，使其钝化 临床应用较多的临床应用较多的高纯度医用不锈钢高纯度医用不锈钢，通常先后经，通常先后经热加热加工工、、冷加工和机械加工冷加工和机械加工制作成。