生物医用金属材料

第二章生物医用金属材料第一节概述第二节生物医用金属材料的特性与生物相容性第三节常用的医用金属材料第四节医用金属材料研究进展第一节概述生物医用金属材料用于整形外科，牙科等领域。由它制作的医疗器件植入人体，具有治疗，修复，替代人体组织或器官的功能，是生物医用材料的重要组成部分，其在医用材料中占45％，而高分子材料也占45％。生物医用金属材料是人类最早利用的生物医用材料之一，最重要的应用有：骨折内固定板、螺钉、人工关节和牙根种植体等。这种材料在人体内生理环境条件下长期停留并发挥其功能，其首要条件是材料必须具有相对稳定的化学性能，从而获得适当的生物相容性。迄今为止，除医用贵金属、医用钛、钽、铌、锆等单质金属外，其他生物医用金属金属材料都是合金，其中应用较多的是：不锈钢、钴基合金、钛合金、镍钛形状记忆合金和磁性合金等。第二节生物医用金属材料的特性与生物相容性生物医用金属材料具有优良的力学性能、易加工性和可靠性，但是金属材料很难与生物组织产生亲和，一般不具有生物活性，它们通常以相对稳定的化学性能，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生物组织所包裹，使之与正常的组织隔绝。组织反应一般根据植入物周围所形成的包膜厚度及细胞浸润数来评价。作为生物医用金属材料，首先必须满足两个条件：1.无毒性；2.耐生理腐蚀性。一、金属材料的毒性生物医用金属材料植入人体后，一般希望能在体内永久或半永久地发挥生理功能，所谓半永久对于金属人工关节来说至少在15年以上，在这样一个相当长的时间内，金属表面会有离子或原子因腐蚀或磨损进入周围组织内，因此，材料是否对生物组织有毒就成为选择材料的必要条件。当然，合金化（某些有毒的金属单质与其他金属元素形成合金后），可减少甚至消除毒性。因此合金的研制对开发新型生物医用材料具有重要意义。另外，采用表面保护层和提高光洁度来提高抗腐蚀能力。金属的毒性可以通过组织或细胞培养、急性和慢性毒性试验、溶血实验等来检测。回顾：生物相容性评价试验一、体外实验：1.材料溶出物测定2.溶血试验3.细胞毒性试验二、动物体内实验：1.急性全身毒性试验2.刺激实验3.致突变实验4.肌肉埋植实验5.致敏实验6.长期体内实验二、耐生理腐蚀性生物医用金属材料的耐生理腐蚀性是决定材料植入后成败的关键，其在人体生理环境下的腐蚀主要由以下八种类型：1.均匀腐蚀：化学或电化学反应大部分表面上均匀的腐蚀，会影响到材料的生物相容性。2.点腐蚀：发生在金属表面的某个局部，但医用不锈钢发生点腐蚀的可能性不大。3.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，多见于两种以上的材料制成的组合植入器件。4.缝隙腐蚀：由环境中化学成分的浓度分布不均引起的腐蚀，多发生在界面部位。5.晶间腐蚀：发生在材料内部晶粒边界，可导致材料的力学性能严重下降，一般可通过减少碳、硫、磷等杂质含量来改善晶间腐蚀倾向。6.磨蚀：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。7.疲劳腐蚀：材料在腐蚀介质中承受应力的循环作用产生的腐蚀，可提高光洁度改善。8.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。第三节常用生物医用金属材料一、医用不锈钢医用不锈钢为铁基耐腐蚀合金，特点:耐空气、水、蒸汽等弱腐蚀，易加工、价格低廉，生物相容性差(但奥氏体316L不锈钢，仍具有较好的生物相容性)。常用的不锈钢有:1.奥氏体不锈钢：0Cr17Ni14Mo2(316L）、00Cr19Ni13Mo3(317L)2.马氏体不锈钢：1Cr13、3Cr13（手术器械）3.铁素体不锈钢临床应用医用不锈钢在骨外科和齿科中应用最为广泛。1、人工关节和骨折内固定器械。如人工髋关节、膝关节，肩关节等。2、齿科方面，用于镶牙、齿科矫正、牙根种植等。如各种齿冠、齿桥、固定支架、义齿和颌骨缺损修复等。3、在心血管系统，可制作不锈钢的人工心脏瓣膜和各种临床介入性治疗的血管内扩张支架等。4、其他方面的应用，如各种眼科缝线、固定环、眼眶填充等；还用于制作人工耳导线、各种宫内避孕环和用于输卵管栓堵等。二、医用钴基合金最早开发的医用钴基合金为钴铬钼(Co-Cr-Mo)合金，其结构为奥氏体。随后又相继开发了锻造钴铬钨镍合金和锻造钴铬钼合金(力学性能相对较好)，锻造钴镍铬钼钨铁合金和具有多组织的MP35N钴镍铬钼合金(抗疲劳性能较好)。常用的钴基合金有：CoCrMo和CoCrWNi。特点：1、具有优良的力学性能，耐蚀、耐磨和铸造性能强，从耐磨性来看，钴基合金是所有金属材料中最好的;2、具有较好的生物相容性，能在人体内保持钝化状态，没有明显的组织反应;3、铸造钴基合金制造的人工髋关节在人体内的松动率较高。临床应用医用钴基合金和医用不锈钢是医用金属材料中应用中最广泛的两类材料。相对不锈钢而言，前者更适合于制作体内承载苛刻、耐磨性要求较高的长期植入件。主要有各类人工关节及整形外科植入器械。三、医用钛及其合金钛是目前已知的生物亲和力最好的金属之一。钛合金的研制始于航天材料，随后转入医学应用，最常用的有TC4(Ti6A14V)。其特点为:1、钛及钛合金的生物相容性、耐腐蚀性和抗疲劳性能都优于不锈钢和钴基合金,耐磨度不如钴基合金;2、密度较小，为铁基合金和钴基合金的一半，硬度较低，耐磨性差。注意:钛的冶炼比较困难，采用的是双真空或惰性气体保护的自耗电极熔炼法。临床应用钛及钛合金主要应用于整形外科，尤其是四肢和颅骨整复，是目前应用最多的金属医用材料。1、在骨外科，用于制作各种骨折内固定器械和人工关节;2、在颅脑外科，用于修复损坏的头盖骨和硬膜，其钛合金也可以制作颅骨板用于颅骨的整复；3、在口腔及颌面外科，纯钛网作为骨头托架已用于鄂骨再造手术，制作义齿、牙床、托环、牙桥等；4、在心血管方面，纯钛可用来制作人工心脏瓣膜和框架。四、医用贵金属医用贵金属是指金、银、铂及其合金的总称。具有稳定的物理和化学性质，抗腐蚀性优良，表现出生物惰性，由于他们的导电性能优良，常用于制作植入式的电极或电子检测装置。临床应用:1、金及金合金主要用于口腔牙齿的整牙修复，在颅骨修复及植入电极电子装置方面也有临床应用;2、银及银合金，其中汞齐合金(又称银汞合金)用作口腔材料使用。铂及铂合金，用于制作神经科的器械，如微探针。五、医用钽、铌、锆材料a.医用钽、铌钽、铌具有相似的化学性质，具有较好的化学稳定性、抗腐蚀和生物相容性，一般用来修复颅骨和作用于骨髓内钉等。b.医用锆锆和钛同属IV族元素，具有相似的组织结构和化学性质，具有良好的耐腐蚀性、生物相容性和冷加工性能。锆可取代钛在临床上的应用，但因其价格较贵，应用受到限制。六、医用形状记忆合金目前，医用记忆合金应用最成功的是镍钛形状记忆合金，其成分为Ti44%～46%，Ni54%～56%。其机械性能明显优于316L不锈钢，耐磨性也优于不锈钢和钴基合金，有较高的耐腐蚀性。其合金植入人体后，镍离子可向组织扩散，产生毒性，为避免对人体的危害，现在正在研究无镍的形状记忆合金。特点：1.具有单向、双程和记忆三种；2.镍钛形状记忆合金的形状记忆恢复温度为36℃左右，接近于人体温度。临床应用NiTi形状记忆合金的形状恢复温度和人体温度基本一致，应用起来十分方便。如：前列腺增生，用NiTi状记忆合金尿道支架，方便且病人痛苦小。除此之外，还可以作其他人体内血管、扩张架或栓赛器等；在整形外科中NiTi形状记忆合金用于制作脊椎侧弯症矫形器械、人工关节等；在口腔科中用作矫正唇弓丝、齿冠、托环等。七、医用磁性合金医用磁性合金包括两种类型，一种是永磁体，另一种是软磁。主要应用于口腔义齿固位、肠道和食道吻合，治疗尿失禁、矫正骨和脊柱畸形，制作无缝合伤口恢复器械等。第四节、医用金属材料的研究进展医用金属材料的研究进展主要包括新型合金材料的开发和医用金属材料的表面改性方法。新型合金材料的开发包括两个方面，一是从组成上考虑寻求新型合金体系，同时重视微量元素对合金性能的影响；二是改进生产工艺，采用先进的冶炼和冷、热加工技术，实现对合金化学成分、相组成、均匀性及显微结构的精确控制，从而达到提高材料性能的目的。医用金属材料的表面改性方法（12）：•等离子喷涂涂层•烧结涂层•溶胶-凝胶法涂覆盖的烧结涂层•表面化学处理诱导羟基磷灰石涂层•电泳沉积发•离子束增强沉积•水热反应法•热分解法•电化学沉积法•表面修饰法•激光熔覆涂层•类金刚石碳膜