第三章-医用金属材料.ppt

单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,,*,,单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,,*,,,,,,,,,,,,,,,,单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,*,,*,单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,*,,*,第三章 医用金属材料,目录,医用金属材料的特性与要求,,,2,,,医用金属材料的腐蚀,,,4,,常用医用金属材料,,,3,,金属与合金表面涂层处理,,,5,,医用金属材料概述,,,1,,,医用金属材料的研究进展,,,6,,3.,1,医用金属材料概述,在生物医学材料中，金属材料应用最早，已有数百年的历史唐代就用银汞合金（主要成份：,汞、银、铜、锡、锌,）来补牙医用金属材料是指一类用作,生物材料的金属或合金，又称外科用金属材料,它是一类,生物惰性材料,该材料是临床应用最广泛的,承力植入材料,，由于有较高的强度和韧性，已成为,骨和牙齿等硬组织修复和替换、心血管和软组织修复以及人工器官制造,的主要材料。

化学周期表中的,大部分金属不符合生物材料的要求，,仅有小部分或经处理过的可用于临床目前在临床使用的医用金属材料主要有,不锈钢、钴基合金和钛基合金三大类,，,另外还有记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌和锆等3.,1,,医用金属材料概述,3.2,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,,,,(2),优良的机械性能,:,,,强度与弹性模量,（与生物体匹配）,,耐磨性,,,抗疲劳性能,,,(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）,,常用医用金属材料,,,不锈钢,,钴（,Co,）基合金,,钛（,Ti,）基合金,,形状记忆合金,,贵金属,,纯金属钽,,纯金属铌,,纯金属铬,,3.3,常用医用金属材料,3.3.1,不锈钢,按显微组织的特点可分为,:,,奥氏体不锈钢,,铁素体不锈钢,,马氏体不锈钢,,沉淀硬化型不锈钢等,1,）分类与概念,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,3.3,常用医用金属材料,3.3.1,不锈钢,1,）分类与概念,,不锈钢的,耐蚀性和屈服强度可以通过冷加工而提高，,避免疲劳断裂铁基耐蚀合金（一般由铁、铬、镍、钼、锰、硅组成），,易加工、价格低廉,一般不锈钢制成,多种形体,，如针、钉、髓内针、齿冠、三棱钉等器件和人工假体而用于临床，不锈钢还用于制作各种医疗仪器和手术器械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,,,,,,3.3.1,不锈钢,1,）分类与概念,,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,－,,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,.,表,1,几种主要的不锈钢的组成、性能和组织,◆,◆,铁素体和马氏体不锈钢的耐蚀性随,含碳量的降低,和,含铬量的增加,而,提高3Cr13,和,4Crl3,型马氏体不锈钢用于医疗器械，如刀、剪、止血钳、针头等Cr18Ni10,型奥氏体不锈钢可制作各种人工关节和骨折内固定器；在口腔科常用于镶牙、矫形和牙根种植等器件的制作不锈钢骨固定螺钉和骨固定板,,器 械 包,,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3.3,常用医用金属材料,3.3.1,不锈钢,2),生物相容性,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3.3,常用医用金属材料,3.3.1,不锈钢,3),临床应用,,热处理原则：,不应导致合金在晶界形成,Cr,4,析出，通常热处理,,,会引起成分的变化，这个问题可通过控制加热,,,的均匀性以及合理的热处理工艺加以解决在热处理过程中不希望出现的结果就是在表面形,,成氧化层，这必须通过,化学、酸蚀或机械喷砂,的方法,,,去除去除氧化层后，部件表面被磨光成镜面或无光,,,泽的端面，然后清洗，去掉油污，在硝酸中形成表面,,,钝化层，在包装和杀菌前需要再清洗一次3.3,常用医用金属材料,3.3.1,不锈钢,4),加工处理,,概念：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3.3,常用医用金属材料,3.3.2 Co,基合金,1,）分类与概念,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。

3.3,常用医用金属材料,3.3.2 Co,基合金,1,）分类与概念,,,,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3.3,常用医用金属材料,3.3.2 Co,基合金,1,）分类与概念,,,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-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3.3,常用医用金属材料,3.3.2 Co,基合金,1,）分类与概念,种类,状态,屈服强度,(MPa),抗拉强度,(MPa),延伸率,(%),疲劳强度,(MPa),,铸态,515,725,9.0,250,CoCrMo,固溶退火,533,1143,15.0,280,,锻造,962,1507,28.0,897,,退火,(ASTM),450,665,8.0,－,,退火,350,862,60.0,345,CoCrWMo,冷加工,1310,1510,12.0,586,,退火,(ASTM),310,860,10.0,－,CoNiCrMo,固溶退火,240,～,655,795,～,1000,50.0,－,,冷加工时效,1585,1790,8.0,－,,退火,275,600,50.0,－,CoNiCrMoWFe,冷加工,828,1000,18.0,－,,退火,(ISO),276,600,50.0,－,表,3.2,典型钴基合金性能,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3.3,常用医用金属材料,3.3.2 Co,基合金,1,）分类与概念,,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3.3,常用医用金属材料,3.3.2 Co,基合金,2,）生物相容性,3.3,常用医用金属材料,3.3.2 Co,基合金,3,）临床应用,,适合于制造体内承载苛刻、耐蚀性要求较高的长期植入件，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,,3.3,常用医用金属材料,3.3.2 Co,基合金,3,）临床应用,,钴基合金人体内一般保持钝化状态，与不锈钢比较，钴基合金钝化膜更稳定，耐蚀性更好；,在所有医用金属材料中，其耐磨性最好；,植入体内不会产生明显的组织反应，适合于制造体内承载苛刻的长期植入件。

在整形外科中，用于制造人工髋关节、膝关节以及接骨板、骨钉、关节扣钉和骨针等在心脏外科中，用于制造人工心脏瓣膜等三种：,精密铸造,、,机械变形加工,和,粉末冶金,,由于其,价格较高，加工困难，应用尚不普及,3.3,常用医用金属材料,3.3.2 Co,基合金,4,）钴基合金植入器件的制造加工方法,,表,2,几种主要的钴基合金的组成、性能和组织,,,口腔、骨板、骨钉、人工髋关节,较低,,CoCrMo,合金,医用钴基合金更适用于体内承载条件苛刻的长期植入件人造髋关节的头杆部分从股骨上端插进金属杆，杆头有一个金属头，它嵌在粘于髋骨窝中的一个塑料臼中Co,基合金,Co,基合金,Co,基合金,在外科植入中运用的,Ti,金属材料有四个级别,（表,3.3,），它们之间的区别在于,杂质含量不同,O,、,N,、,C,、,H,与,Ti,形成间隙固溶体，,Fe,与,Ti,形成置换固溶体杂质元素的含量过大会形成脆性化合物O,、,N,和,C,能提高,Ti,的强度，降低其塑性Ti,很容易吸氢，,H,含量过高会产生氢脆，降低其韧性微量的,Fe,对纯钛性能的影响不像,O,、,N,、,C,那样强烈Ti-6Al-4V,是一种广泛用于制造植入器械的钛合金，这种合金的主要合金元素是,Al(5.5%,～,6.5%,，质量分数,),和,V(3.5%,～,4.5%,，质量分数,),。

3.3,常用医用金属材料,3.3.3,钛和钛,合金,1,）分类、组成和性能,元素,Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅴ,Ti-6Al-4V,氮,0.03,0.03,0.05,0.05,0.05,碳,0.10,0.10,0.10,0.10,0.08,氢,0.015,0.015,0.015,0.015,0.0125,铁,0.20,0.30,0.30,0.50,0.25,氧,0.18,0.25,0.35,0.40,0.13,钛,,,平衡,,,,表,3.3 Ti,金属和,Ti,合金化学成分组成,(,以质量分数计,),3.3,常用医用金属材料,3.3.3,钛和钛,合金,3.3,常用医用金属材料,3.3.3,钛和钛,合金,1,）分类、组成和性能,,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表,3-4,,Ti,及,Ti,合金的机械力学性能,(ASTM,，,F136),性能,Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅴ,Ti-6Al-4V,抗拉强度,/MPa,240,345,450,550,860,屈服强度,/MPa,170,275,380,485,795,延伸率,/%,24,20,18,15,10,断面收缩率,/%,30,30,30,25,25,3.3,常用医用金属材料,3.3.3,钛和钛,合金,1,）分类、组成和性能,Ti,为难熔稀有金属，熔点,1762℃,，密度小、比强度高；,Ti,合金的强度可达到很高的水平，比强度是不锈钢的,3.5,,,倍；,Ti,与氧反应形成的氧化膜致密稳定，有很好的钝化作用，,,,具有很强的耐蚀性。

在生理环境下，,Ti,合金的均匀腐蚀很小，不会发生,,,点蚀、缝隙腐蚀和晶间腐蚀Ti,合金的磨损与应力腐蚀较明显3.3,常用医用金属材料,3.3.3,钛和钛,合金,2,）生物相容性,,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,(TiO,2,),钝化膜,，植入后引起的组织反应轻微凝胶状态的,TiO,2,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Ti,合金对人体毒性小，密度小，弹性模量接近于天然骨，是较佳的金属生物医用材料钛及钛合金具有优异的使用特性，被世界公认是生物医疗领域中优异的金属材料，采用,钛及钛合金制造的股骨头、髋关节、肱骨、颅骨、膝关节、肘关节、肩关节、掌指关节、颌骨以及心瓣膜、肾瓣膜、血管扩张器、夹板、假体、紧固螺钉,等上百种金属件移植到人体中，取得了良好的效果，被医学界给予了很高的评价3.3,常用医用金属材料,3.3.3,钛和钛,合金,3,）临床应用,临床应用广泛，其质轻、比强度高、,力学性质接近人骨、强度远低于纯钛，耐疲劳、耐蚀性均,优于不锈钢和钴基合金，且,生物相容性和表面活性好，是较为理想的一种植入材料,。

主要用于：修补颅骨，制成钛网或钛箔用于修复脑膜和腹膜、人工骨、关节、牙和矫形物、人工心脏瓣膜支架、人工心脏部件和脑止血夹、口腔颌面矫形颌修补、手术器械、医疗仪器颌人工假肢等3.3,常用医用金属材料,3.3.3,钛和钛,合金,3,）临床应用,钛合金骨,,EL1Ti6Al4V,钛基合金制作的骨钉和骨板,钛基合金的医学应用：,广泛用于制作各种人工关节、牙床、人工心脏瓣膜、头盖骨修复等方面头颅微型钢板,3.3,常用医用金属材料,3.3.3,钛和钛,合金,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,解决这一问题为了改善钛及钛合金的耐磨性能，可将钛制品,表面进行高温离子氮化,及应用,离子注入技术,处理，通过引起晶格畸变，使制品表面呈压力状态，从而提高硬度和耐磨性3.3,常用医用金属材料,3.3.3,钛和钛,合金,4,）钛和钛合金植入器件的制造,3.3,常用医用金属材料,3.3.3,钛和钛,合金,4,）钛和钛合金植入器件的制造,,,离子氮化,后的纯钛及钛合金硬度分别提高,7,倍和,2,倍。

纯钛的磨损率降低到原来的,1/2,，钛合金降低到原来的,1/6,；氮化后钛材的年腐蚀率是非氮化的,1/3,动物实验表明组织对表面渗氮钛材反应轻微，材料无毒性利用离子注入技术,，可在钛及合金表面注入氮离子，使其表面生成氮化钛陶瓷涂层，大大提高钛制品的耐磨，耐蚀性能，如,TC4,氮化前后，制品在模拟体液中的年腐蚀率降低至原来的,1/3,3.4,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3.4,齿科用金属,3.4.1,齿科汞齐,,现在应用的汞齐合金的银合金粉在,组成,、,形状,及,包装,等方面都,有了较大改变,在组成方面增加了,铜含量,，减少,了银含量,，使汞齐合金,既提高了强度又降低了成本,传统的银合金粉制品是按比例配料后，在无氧高温条件下熔化，浇铸成锭，再用机械切削粉碎成微细粉末，因此在显微镜下为片状不规则形。

如果将银合金粉在真空条件下熔化并雾化制粉，则在显微镜下观察为圆球形颗粒，又称球形银合金粉由于球形粉末比不规则粉末的表面积小，故调和时所需汞的量也少，因此提高了汞齐合金的强度另外，在包装方面使用胶囊包装取代传统的瓶装，按比例将一定量的汞和银粉末分别装于胶囊隔膜两侧，在两者调和后完成汞齐化这样既减少了汞的污染又节约了原材料，并提高了汞齐合金的性能3.4,齿科用金属,3.4.2,,金,金和金合金的耐久性、稳定性和抗蚀性，使它们在牙科上成为很有用的金属若合金含有,75%(,质量分数,),或更多的金和其他贵金属，它们就能保留其良好的抗蚀性铜与金形成的合金可显著提高其强度，,铂,也能改善其强度，但添加量不能超过,4%,；否则合金的熔点会提高银,的加入可抵消铜的颜色加入少量的,锌,可降低其熔点，并排除在熔化过程中形成的氧不同成分的金合金各有用途含金量超过,83%,的合金较软，用于镶嵌，但其硬度太低而不能承受太高的压力金含量少的较硬合金，用于牙冠和尖端处，可承受较大的压力Ni-Ti,合金具有形状记忆的特性,，微米晶态的,Ni-Ti,合金在接近室温时就展现出奇特的形状记忆效应：当温度低于转变温度时进行塑性变形，然后温度一升高，它就会回复到原始形状。

形状记忆效应,普遍认为与无扩散马氏体相变有关，即本质上就是热弹性热弹性行为归因于母相和马氏体的排序秩序充分地了解与马氏体相变相关地机械行为和热行为是必要的形状记忆合金可用于拱形牙齿矫正3.4,齿科用金属,3.4.3,Ni-Ti,合金,,钽是化学活性很高的金属，在生理或其它环境中，甚至在缺氧的状态下，其表面都能立即生成一层化学性能稳定的钝化膜，从而使钽,具有很好的化学稳定性,和,抗生理腐蚀性,，并具有,良好的生物相容性,钽植入骨内能与周围生成的新骨直接接触最近有研究表面，多孔金属钽在其表面进行生物活化处理后，植入动物体内，孔内有新骨生成，即具有诱导成骨性这表明金属钽具有优良的生物学性能3.5,其他金属,3.5.1,医用钽,表,3-5,钽合金机械力学性能,性能,完全退火,冷加工,拉伸强度,/MPa,205,515,屈服强度,/MPa,140,345,延伸率,/%,20,～,30,2,杨氏模量,/GPa,—,190,3.5,其他金属,3.5.1,医用钽,,钽合金力学性能见表,3-5,钽可,加工成板、带、丝材,，,用于制造骨板、骨钉、夹板、缝合针等外科植入器械,临床上，钽片刻用于修补颅盖，钽丝可缝合神经、肌腱和血管，钽板可用于修补骨缺损，钽网可用于修补肌肉组织。

此外，在血管金属支架表面镀一层钽，能明显提高血管支架的抗血栓性能通过制造工艺控制和冷加工处理，钽也可以用作承力部位的修复3.5,其他金属,3.5.1,医用钽,,铌为难熔金属，熔点为,2467,°,C,，其晶体结构为体心立方晶体纯铌的密度为,8.5g/cm,3,铌和钽的化学性质很相似，具有良好的化学稳定性和耐腐蚀性能,铌对很多腐蚀介质在冷态或稍热的条件下不起反应，金属铌在空气中只在温度高于,200,°,C,时才明显氧化铌和,Cl,、,H,、,N,分别在,200,°,C,、,250,°,C,、,400,°,C,时才发生反应3.5,其他金属,3.5.2,医用铌,表,,3-6,铌的机械力学性能,(ASTM,F560),性能,完全退火,冷加工,拉伸强度,/MPa,275,300~1000,显微硬度,/MPa,600~1100,275,延伸率,/%,-,10~25,铌的力学性能见表,3-6,3.5,其他金属,3.5.2,医用铌,,铌可通过锻造、轧制或拉拔等工序加工成棒、板、管、丝和异性材等铌容易磨损和黏结刀具，切削加工时宜采用油水乳化液冷却，以保持刀具刃部的锋利性医用铌一般采用高纯铌，铌在医学方面与钽类似，如制髓内钉等。

由于其来源和经济原因，医用铌的用途受到很大的限制3.5,其他金属,3.5.2,医用铌,,,,铂是一种银白色金属，俗称白金晶体结构为面心立方铂具有高熔点、高沸点和低蒸气压的特点，铂的化学性质稳定铂的主要物理性能为：密度,21.45g/cm,2,(20,°,C),，熔点,1769,°,C,，电阻率,9.85μΩ,•,cm (0,°,C),常见的铂合金有铂铱合金、铂金合金和铂银合金，它们均具有,极好的抗蚀性能,和,物理化学稳定性,用铂及其合金制造的微探针广泛用于人体神经系统的各种植入性检测和修复用电子装置，心脏起搏器等铂及其合金的力学性能较差及其成本较高，限制了其在医学上的推广应用,[,3.5,其他金属,3.5.3,医用铂,腐蚀：,材料与周围介质的化学、电化学或物理溶解作用而导致,,的破坏过程；,,是金属与它所处的环境之间发生的一种不希望出现的化,,学反应，将会导致金属形成氧化物、氢氧化物或其他化,,合物而持续析出4,医用金属材料的腐蚀,本质上是电化学腐蚀其腐蚀原理与原电池的工作原理相类似,,,产生电子被称为阳极,(,氧化,),，,,,消耗电子被称为阴极,(,还原,),,在任何金属表面都可产生阴极还原，,,,在阳极氧化产生腐蚀。

4,医用金属材料的腐蚀,4.1,腐蚀的机理,4,医用金属材料的腐蚀,4.2,生理腐蚀,,----,金属材料在体内与人体体液之间发生的腐蚀,分类：,,(1),全面腐蚀,,又称为均匀腐蚀,,,,金属材料表面各处腐蚀破坏深度差别很小，没有腐蚀破坏特别严重和特别轻微或甚至看不出腐蚀破坏的表面区域在人体内，金属材料的均匀腐蚀速率较低，年失重率较小，一般不存在对材料的结构强度造成大的破坏但由于均匀腐蚀是在大面积上发生的，腐蚀产物及其金属离子进入人体的数量较多，对周围组织的生长会有不利的影响4,医用金属材料的腐蚀,4.2,生理腐蚀,(2),局部腐蚀,:,不同区域的腐蚀破坏深度远远超过了腐蚀破,,,坏的平均深度对材料的结构强度影响较大①,点蚀：,在金属表面局部出现了微电池作用,,②,晶间腐蚀,：发生在材料内部晶粒边界上,,,导致力学性,,,能下降,,③,缝隙腐蚀：,由于环境中化学成分的浓度分布不均匀引,,,起，属闭塞电池腐蚀，多发生在界面部位,,4,医用金属材料的腐蚀,4.2,生理腐蚀,(3),磨蚀,:,植入器件之间切向反复的相对滑动所造成的表,,,面磨损和腐蚀环境作用所造成的腐蚀4),应力腐蚀,:,在应力和腐蚀介质共同作用下出现的一种,,,加速腐蚀的行为。

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4,医用金属材料的腐蚀,4.2,生理腐蚀,(5),疲劳腐蚀,:,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，表面微裂纹和缺陷可使,,,疲劳腐蚀加剧6),电偶腐蚀,:,发生在两个具有不同电极电位的金属配件,,,偶上的腐蚀4,医用金属材料的腐蚀,4.2,生理腐蚀,4,医用金属材料的腐蚀,4.3,常用金属材料的耐腐蚀性能,通过阳极极化曲线检测表明，金属材料的耐蚀性为,钛合金,>,钴基合金,>,不锈钢,,提高金属的抗腐蚀性能的途径,：,,（,1,）在,材料表面形成保护层,,（,2,）提高材料表面光洁度,不锈钢：,在不锈钢中加入铬、镍或钴，或制成,Co-Ni-Cr-Ti,,,合金；降低不锈钢中的,Si,、,Mn,等杂质元素及非金,,,属夹杂物，其耐腐蚀性能可大大提高贵金属：,有较强抗蚀性，如果仅考虑抗蚀性的话，是理想,,,的植入材料钛及钛合金：,表面经过钝化处理可生成一层保护性的氧化,,,膜，提高抗蚀能力常用的表面钝化处理有化学,,,和电化学钝化两种工艺Co-Cr-Mo,合金：,钴基合金在生物体内多保持钝化状态，其,,,钝化膜稳定，耐蚀性好。

广泛用于植入器件的制,,,造4,医用金属材料的腐蚀,4.3,常用金属材料的耐腐蚀性能,,金属及其合金在生物体内的腐蚀问题尚未解决，需对其表面进行改性表面改性不仅要,抑制有害金属离子的溶出,，而且要,促进组织的再生和加强材料与组织结合,金属生物材料的表面改性技术主要可以分为：,,（,1,）,物理化学方法,,（,2,）,形态学方法,,（,3,）,生物化学方法,5,金属与合金表面涂层处理,,----,改善金属生物材料表面性能的主要方法,（,1,）热喷涂,,（,2,）脉冲激光融覆：,,（,3,）离子溅射,,（,4,）喷砂法,,（,5,）电结晶法,,（,6,）电化学法,,（,7,）离子注入,,5,金属与合金表面涂层处理,5.1,物理化学方法,,在不改变金属基体表层的化学组成的情况下，将其直接植入生物体内，从而达到对生物体组织在其上的粘附、生长以及粘附强度产生重要影响此方法并不在基体表面产生强化层或附加涂层，而是通过改善植入体的表面微观形貌来获得最好的植入效果形态学表面改性工艺在提高结合强度的同时，一般不会减损材料的生物相容性，是一种比较简单有效的表面改性方法其具体方法有：等离子喷刷、超音振荡、激光束点融以及电化学晶界腐蚀等。

5,金属与合金表面涂层处理,5.2,形态学方法,,将大分子蛋白质或酶等有机高分子物质引入基体表面，使其具有更优良的生物活性，因而具有更直接、更有效的特点这样的材料可以促进植入处伤口的愈合，加速植入体与周围组织的结合，同时也可以提高植入体的安全性和使用寿命大多数金属表面存在一层氧化膜，一定条件下会与,[H],或,H,+,作用，形成附于基体表面的,-OH,羟基在这种情况下用,aminopropyltriethoxysilane (APS),对基体进行硅烷化处理，再通过戊二酸醛的作用将一些蛋白质或酶的分子如胰蛋白酶，以化学键联接在基体表面上此方法是由美国科学家,David. A. Puleo,提出，它可以将活的生物分子固定在无机、非孔状、非松散生物材料的表面，从而使材料表面活性大大提高5,金属与合金表面涂层处理,5.3,生物化学方法,镁合金具备作为可降解骨植入材料的多方面优点,：,,,(1),镁是人体内含量最多的阳离子之一，几乎参与人体内所有的新陈代谢过程2),镁及镁合金的弹性模量约为,45GPa,，更接近人骨的弹性模量，能有效降低应力遮挡效应；镁与镁合金的密度约为,1.7g/cm,3,，与人骨密度,(1.75g/cm,3,),接近，符合理想接骨板的要求。

3),镁具有独特的体内降解性能,,4),镁资源丰富，价格低廉6,医用金属材料研究进展,6.1,医用镁及镁合金材料的研究,利用镁的易降解性能制成可降解心血管支架,,利用镁金属与人体相近的力学性能作为骨固定材料作为可降解植入材料，镁合金存在的,最大问题,是镁的,耐蚀性能过差,，满足不了植入器件服役期的要求在提高镁及镁合金耐蚀性能方面,，研究主要集中在合金化与表面涂层两方面在可降解镁合金的材料研究方面,，已经开发了,AZ91Ca,、,Mg-Mn-Zn,、,Mg-Zn-Y,、,Mg-Zn-Mn-Ca,、,Mg-Ca,、,Mg-1X,（,X=Al,，,Ag,，,In,，,Si,，,Y,，,Zn,和,Zr,）等多种新型镁合金在控制降解速度方面仍没有取得突破性进展6,医用金属材料研究进展,6.1,医用镁及镁合金材料的研究,,镁合金表面处理在控制基体降解速度的同时，可以,赋予其表面以良好的生物活性,，是镁合金可降解植入材料研究的重要内容之一在镁合金表面处理方面,，发展了,β-TCP,涂层、气相沉积晶体,Si,涂层、电化学沉积及仿生方法制备羟基磷灰石涂层、磷化方法制备磷酸钙涂层、化学转化锰酸盐涂层,[,等多种处理工艺，其中有些涂层可以有效控制镁合金的降解速度并提高其生物相容性，使人们看到镁合金应用于生物医用领域的希望。

6,医用金属材料研究进展,6.1,医用镁及镁合金材料的研究,,定义：,是指一种金属骨架里分布着大量孔洞的新型材料，以多样化空隙为特征的广义阻尼材料分类：,,按期结构来分,，可分为无序和有序两类，前者如泡沫材料，而后者主要是点阵材料按孔之间是否连通,，可分为闭孔和通孔两类，前者含有大量独立存在的孔洞,,,后者则是连续畅通的三维多孔结构6,医用金属材料研究进展,6.2,多孔医用金属材料的研究,,与实体结构材料相比，由于孔隙的存在，,多孔金属具有一系列特殊性能,：,,,良好的可压缩性、压缩平台应力及在变形过程中泊松比的改变等优良的综合力学性能,(,主要是强度和刚度,),以及重量轻是其最基本的优点此外，多孔金属可以吸收与冲击方向无关的较高冲击能量，还可以有效地应用于声音吸收、电磁屏蔽和振动阻尼等方面6,医用金属材料研究进展,6.2,多孔医用金属材料的研究,多孔金属材料用于植入材料的优点：,,,①,多孔结构利于成骨细胞的粘附、分化和生长，促使骨长入孔隙，加强植入体与骨的连接，实现生物固定；,,②,多孔金属材料的密度、强度和弹性模量可以通过改变孔隙度来调整，达到与被替换硬组织相匹配的力学性能,(,力学相容性,),，如减弱或消除应力屏蔽效应，避免植入体周围的骨坏死、新骨畸变及其承载能力降低等；,,③,开放的连通孔结构利于水分和养料在植入体内的传输，促进组织再生与重建，加快痊愈过程。

6,医用金属材料研究进展,6.2,多孔医用金属材料的研究,(1),多孔钽,,在显微镜下该材料结构如同松质骨，其空隙大小在,400-600μm,之间，整体互联的孔隙率高达,75%-85%,多孔钽所具有的三维多孔结构更有利于成骨细胞黏附、分化和生长，促进骨长入，从而加强植入体与骨之间的链接，实现生物固定，同时它也更有利于水分和营养物质在植入体内的传输，促进骨组织再生和重建，加快愈合过程目前在临床上的应用主要有髋臼假体、脊椎间融合器、缺损骨修复及软骨修复图,3-9,多孔钽形貌图,6,医用金属材料研究进展,6.2,多孔医用金属材料的研究,6,医用金属材料研究进展,6.2,多孔医用金属材料的研究,(2),多孔镁及镁合金,,多孔镁基金属的研究还停留在实验室阶段，尚未进入临床，但鉴于镁合金的诸多优势，其未来的临床应用会有大有前景图,3-10,多孔镁形貌图,(3),多孔钛,,多孔钛已经广泛用于人工关节矫形手术、牙缺损修复、骨填充材料等多孔钛植入物的多孔结构能够提高植入材料的生物相容性图,3-11,多孔,Ti,形貌图,,6,医用金属材料研究进展,6.2,多孔医用金属材料的研究,6,医用金属材料研究进展,6.3,常用金属植入材料的发展,医用不锈钢,仍是生物植入材料的主体，研究开发高耐蚀性、高耐磨性、高疲劳强度和高韧性生物合金依然重要。

无镍,(,或低镍,),高氮奥氏体不锈钢具有优良的综合力学性能和抗蚀性能，在许多性能方面相当于或超过现有的医用不锈钢从金属植入材料的研究现状来看，,纯钛及其钛合金,具有其它材料无可比拟的优越性，特别是近些年发展起来的新型,β-,钛合金因此，开发研究更适合临床应用的新型,β,钛合金不失为人体用金属植入材料的一个主要发展方向最新开发的生物医用钛合金主要包括,：,,(1),(α+β),型钛合金,Ti-5Al-3Mo-4Zr,；,Ti-6Al-2Nb-1Ta,；,Ti-6Al-7Nb,；,Ti-15Sn-4Nb-2Ta,；,Ti-15Zr-4Nb-2Ta,；,Ti-15Zr-4Nb-4Ta,2),β,型钛合金,Ti-15Mo,；,Ti-15Mo-5Zr-3Al,；,Ti-12Mo-6Zr-2Fe,；,Ti-15Mo-2.8Nb-0.2Si,；,Ti-13Nb-13Zr,；,Ti-16Nb-10Nf,；,Ti-35Nb-5Ta-7Nb,上述新型钛合金中减少或消除了,Al,和,V,元素的影响，并采用,Zr,、,Nb,、,Ta,、,Sn,等作为合金元素来改善钛合金的机械性能、耐蚀性和生物相容性6,医用金属材料研究进展,6.3,常用金属植入材料的发展,,为了改善金属材料人工关节假体的生物活性、耐磨性、耐蚀性及假体与骨两相界面的结合等，国内外相关学者作了,大量的表面改性研究。

主要研究与应用表现以下几方面：,,(1),钛合金表面的离子氮化和氧扩散处理；,,(2),金属假体表生物陶瓷涂层处理；,,(3),研制粗糙面或多孔面人工关节；,,(4),表面碱热活性处理6,医用金属材料研究进展,6.3,常用金属植入材料的发展,6,医用金属材料研究进展,6.3,常用金属植入材料的发展,,人体用金属植入材料的研究还包括：,,①,对开发出的各种生物医学材料进行临床应用实验，以取得大量有价值的第一手资料，并及时反馈给材料研究部门，以便迅速对材料进行改进；,,,②,寻求更为理想的表面处理工艺，更好地改善人体植入材料的表面性能，获得高质量的涂层并解决涂层与基底的结合问题，进一步提高生物医学材料与生物体的相容性，提高植入材料的耐磨性和耐蚀性；,,人体用金属植入材料的研究还包括：,,,③,进行材料的复合化和混杂化研究此外，许多研究表明，金属的磨屑是导致植入件松动的原因因此，减少由微动引起的金属离子或碎片是优化长期植入物的关键6,医用金属材料研究进展,6.3,常用金属植入材料的发展,结语,,人类已进入对生物体用金属材料高需求的时代，亟待开发出更多适用于不同植入部位的活性生物材料目前生物医用材料正在向多种材料复合、性能互补的方向发展。

表面改性技术在生物材料上的应用有效提高了医用金属材料的表面质量，改善了植入物的植入效果利用表面改性来提高医用金属材料的生物相容性将会是今后医用金属材料发展的趋势思考题：,,,,查阅资料文献，了解生物医用金属材料方面应用情况Thank you!,。