生物医用金属材料-shen.ppt

CompanyLogo 生物医用金属材料 BiomedicalMetallicMaterials 沈明武2013 9 23mwshen CompanyLogo 金属结构基本知识 生物医用金属材料简介 生物医用金属材料的特性 生物医用金属材料的前沿 常用的生物医用金属材料 1 2 3 4 5 CompanyLogo 第一节预备知识 金属的结构二晶体缺陷三金属的腐蚀 CompanyLogo 晶体的概念 CompanyLogo 一金属的结构 CompanyLogo CompanyLogo CompanyLogo 1 纯金属的晶体结构 体心立方晶格bcc body centered cubic 面心立方晶格fcc facecenteredcubic 密排六方晶格hcp Hexagonalclose packedlattice CompanyLogo 体心立方晶格bcc Fe W V Mo等 CompanyLogo CompanyLogo 面心立方晶格fcc Fe Cu Ni Al Au Ag等 CompanyLogo CompanyLogo 密排六方晶格hcp CompanyLogo 金属晶体中的晶面和晶向 CompanyLogo 二实际金属的缺陷 点缺陷 CompanyLogo 二实际金属的缺陷 线缺陷 CompanyLogo 二实际金属的缺陷 面缺陷 CompanyLogo 2 合金的相结构 固溶体 组元通过溶解形成一种成份和性能均匀的 且结构与组元之一相同的固相称为固溶体A B A 溶剂B 溶质间隙固溶体置换固溶体 固溶强化 使金属强度和硬度提高的现象 CompanyLogo CompanyLogo 金属间化合物 金属间化合物是合金的组元相互作用而形成的具有金属特性 而晶格类型和特性又完全不同于任一组元的化合物 中间相 CompanyLogo 第二节简介 发展简况 生物医用金属材料是人类最早利用的生物医用材料之一 迄今为止在硬组织修复和替换材料中仍然首推金属及其合金 CompanyLogo 隋末唐初 银膏补牙 成分是银 锡 汞 与现代牙齿填充材料汞齐合金类似1546年纯金属薄片用于修复颅骨缺损1880年银用于膝盖骨缝合1896年镀镍钢钉用于骨折治疗20世纪30年代不锈钢 钴铬合金 钛及合金得到广泛应用20世纪70年代Ni Ti形状记忆合金 金属表面涂层的应用近20年发展较慢 但在临床上仍占据重要地位 CompanyLogo 金属材料在组成上与人体组织成份相距甚远 很难与生物组织产生亲合作用 一般不具有生物活性 通常以其相对稳定的化学性能 获得一定的生物相容性 第三节材料的特性与生物相容性 美国材料试验学会ASTM F4的标准规定 金属材料埋植6个月后 纤维包膜厚度 0 03mm为合格 CompanyLogo 生物医用金属材料在应用中面临的主要问题 由于生理环境的腐蚀而造成的金属离子向周围组织扩散以及植入材料自身性质的退变 作为生物医用金属材料 首先必须满足两个基本条件 无毒性 耐生理腐蚀 CompanyLogo 人体环境特点 CompanyLogo 毒性来源 金属表面原子或离子因腐蚀或磨损进入周围生物组织 1 金属材料的毒性 毒性作用 作用于细胞 抑制酶的活动 阻止组织酶的扩散和破坏溶酶体具体表现 与体内物质生成有毒化合物 金属离子进入组织液引起水肿 栓塞 感染和肿瘤等 CompanyLogo 金属离子析出问题金属离子进入人体在远期将会产生什么结果尚未可知现已探明Ti6Al4V中的V对人体有害 拟采用Nb代替V钛合金假体术后36个月体内Ti浓度升高了3倍 钛合金假体术后血和尿的中Cr水平分别提高了5倍和8倍 CompanyLogo 实例 镍铬烤瓷牙致病 CompanyLogo 3 提高光洁度等方法来提高抗蚀性能 降毒方法 1 合金化 如不锈钢中加入2 铍可减小毒性 加入20 铬可消除毒性 2 提高耐蚀性 基本无毒的金属单质 Ga In Sn Ti Zr Mo W Au Ta Pt 常用合金组元 Fe Co Cr Ni V Mn等 如Cr Ni Mo Mn Fe不锈钢 Co Cr Ni Mn W Fe钴合金 4 表面涂层 CompanyLogo 金属材料的主要缺点就是腐蚀问题腐蚀环境 电解质 有机酸 碱金属或碱土金属 Na K Ca2 Cl 等构成的恒温电解质环境中 多种机制协同作用 恒温37 蛋白质 酶和细胞的作用应力与磨损 2 耐生理腐蚀性 CompanyLogo 金属的腐蚀 CompanyLogo 金属的腐蚀 腐蚀的种类 均匀腐蚀 腐蚀产物及进入机体的金属离子总量较大 影响材料生物相容性点腐蚀 微电池作用使阳极部位严重腐蚀 医用不锈钢发生的可能性较大 如316 316L不锈钢腐蚀速率 0 2 m 年 密度 9g cm3 不影响机械性能长期离子释放对机体有影响针头大小0 01cm2面积上的离子释放量腐蚀速率CR 0 2 10 4 365 24 3600 6 10 13 cm s 0 01cm2面积上的离子释放率 6 10 13 0 01 9 1 60 6 1023 5 4 108 离子 秒 CompanyLogo 电偶腐蚀 多见于两种不同材料的组合件 甚至引入机体的其它微粒缝隙腐蚀 多发生在界面部位如接骨板和骨螺钉晶间腐蚀 发生在材料晶界上 可导致材料力学性能严重下降 CompanyLogo 磨蚀 表面磨损与腐蚀协同作用 钴基合金耐磨蚀的能优良 不锈钢较差疲劳腐蚀 疲劳与腐蚀协同作用 提高表面光洁度可获改善应力腐蚀 应力协同作用下的加速腐蚀 钛合金和不锈钢对此敏感 钴合金不敏感施加应力或产生变形的区域 阳极同种材料的其它区域 阴极 应力集中区域 被腐蚀如316L不锈钢在模拟生理溶液中的裂纹扩展速率明显高于空气中裂纹 应力集中 应力腐蚀 缝隙 缝隙腐蚀 CompanyLogo 3 力学性能A足够的强度和塑性人体股骨头 抗压强度143MPa 纵向弹性模量13 8GPa 径向 13 8 3 髋关节 3 6 106次冲击载荷 数倍于人体体重 CompanyLogo 对人工髋关节金属材料的要求是 屈服强度 450MPa抗拉强度 800MPa疲劳强度 400MPa延伸率 8 CompanyLogo 人工髋关节性能要求 疲劳强度 400MPa 屈服强度 450MPa 延伸率 8 抗拉强度 800MPa CompanyLogo B弹性模量稍高于或高于人骨的弹性模量通常生物材料的弹性模量大于骨 如骨10 40GPa 纯钛110GPa弹性模量过高材料与骨的应变不同 界面处的相对位移造成界面松动应力屏蔽 引起骨组织的功能退化或吸收弹性模量过底低应力变形 起不到固定与支撑的作用 CompanyLogo C力学相容性与金属与骨组织的界面结合问题通常的生物金属材料均不具备生物活性弹性模量差异造成的界面松动钛及其合金表面活化可改善界面结合问题凝胶状态的二氧化钛膜具有诱导体液中钙 磷离子沉积生成磷灰石的能力 表现出一定和生物活性和骨性结合能力 CompanyLogo DeyT RoyP FabryB SchmukiP AnodicmesoporousTiO2layeronTiforenhancedformationofbiomimetichydroxyapatiteActaBiomaterialia2011 7 1873 1879 CompanyLogo 4 耐磨性 避免摩损 提高硬度 选择合适的摩擦隅 具有较高的能量状态 容易与体液发生化学反应 CompanyLogo 第四节常用的生物医用金属材料 CompanyLogo 一医用不锈钢 stainlesssteelasbiomedicalmaterials 医用不锈钢为铁基耐蚀金属 组成除了含有大量的铁外 还有8种成份 铬 镍 硅 锰 钛 碳 硫和磷 这些成份各发挥其重要的性质而组合成不锈钢整体性能不锈钢最重要的合金成份是 铬 其含量至少大于12 以形成抗腐蚀所需要的钝化氧化铬层低碳含量可减少晶界碳化物的形成 而晶界碳化物证实植入体内后晶粒间腐蚀的多发部位加入2 4 的钼能提高不锈钢的抗点腐蚀能力 CompanyLogo 1 化学成份 316 316L 317L Cr 形成氧化铬钝化膜 提高抗腐蚀能力 稳定奥氏体Ni 稳定奥氏体 Ni 12 时 可得到单相奥氏体 CompanyLogo 2 加工工艺真空熔练 真空电弧炉重熔 冷加工 提高强度 抛光 提高表面光洁度 消除腐蚀和应力集中隐患 316和316L不锈钢的力学性能 CompanyLogo 3 生物相容性点腐蚀和界面腐蚀导致长期稳定性差设计不合理导致应力集中及磨损磨损和腐蚀产物引起不良组织反应 水肿 感染 组织坏死等 导致疼痛和组织坏死等反应溶出的镍离子可能诱发肿瘤形成密度和弹性模量与人体组织差别大 导致力学相容性差无生物活性 难于和生物组织形成牢固键合 CompanyLogo 4 医学应用齿科人工关节和骨折内固定器械心血管系统其它 金属外臼 金属或陶瓷球 聚合物或陶瓷的内臼 金属柄 陶瓷涂层 CompanyLogo 二医用钴基合金 cobaltalloyasbiomedicalmaterials 1 化学成份 Co Cr Mo Co Cr W Ni Co Cr Mo W Fe Co Ni Cr Mo Co室温下是六方密排结构高温稳定相是面心立方结构 通过合金化微调整 可使合金在室温下得到上述两相的复相组织提高力学性能 CompanyLogo 2 制造工艺精密铸造 多用于制造形状复杂的的制品可采用固溶退火 锻造 热等静压来改善组织缺陷 提高疲劳强度等力学性能形变加工 热轧 轧制 挤压和冲压 可改善铸态组织 提高力学性能 如锻造钴基合金的人工关节疲劳断裂的概率大大减小 粉末治金 可采用热等静压烧结工艺提高烧结体的密度 但成本也随之提高 CompanyLogo 3 力学性能具有优异的耐磨性能 硬度比不锈钢高1 3 承载能力较强 典型钴基合金的力学性能 CompanyLogo 4 生物相容性钝化膜稳定 耐腐蚀性好 耐蚀性比不锈钢高数10倍一般无明显的组织反应人工髋关节界面松动率较高 因Co Ni离子的释放 引起细胞与组织的坏死Co Ni Cr还可引起皮肤过敏反应 其中Co最为严重 CompanyLogo 5 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 其品种主要有各类人工关节及整形外科植入器械 在心脏外科 齿科等领域均有应用 CoCrMo合金制股骨帽 CompanyLogo 三医用贵金属 noblemetal 性能特点 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 具有优良的导电性 医用贵金属是指金 银 铂及其合金的总称 具用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 具有优良的导电性 通过合金可对其物理 化学性能进行调整 满足不同的需求 由于它们的导电性能优良 常用于制作植入式的电极或电子检测装置 CompanyLogo 1 金及金合金 金和金合金耐久性 稳定性和抗蚀性 使它们在牙科上成为很有用的金属 CompanyLogo 某些Au Ag Cu为基的合金合金的代表性组成 CompanyLogo 牙科用贵金属材料 贵金属牙科烧瓷合金的组成 CompanyLogo 汞齐合金 将Ag Cu Sn合金粉与汞通过研磨或强烈振动发生反应而形成的一种合金 从合金组成可分为低铜汞齐合金和高铜汞齐合金两类 2 银及银合金 CompanyLogo 代表性汞齐合金的化学组成 CompanyLogo 用汞齐合金进行牙科修复的优点是操作容易 简便 但汞齐合金长期在口腔中是否会引起汞的释放 汞齐合金硬化时的尺寸变化及其在口腔环境中 是否会腐蚀等问题 一直是牙科医生和病人关注的焦点 汞齐合金在各种人造唾液中腐蚀行为的研究表明 它在无腐蚀状态下会释放出汞 在较短时释放的汞量与规定的摄入量相等 在较长时间内释放的汞量仍然较低 CompanyLogo 铸造合金 大多数牙科铸造合金是以Au Ag Cu为基的合金系 有时添加Pd和Pt以提高合金的机械性能和抗腐蚀性 有时也添加少量的Ir和Ru使金的晶粒细化 CompanyLogo 我国牙科铸造合金的标准规定 合金的化学成分中 非贵金属 Cu Sn Zn Co Cr等 总量 75 贵金属 Au Ag Pt Pd Rh Ru Ir Os 总量 25 有害杂质Ni 0 01 Cd 0 02 Be 0 02 贵金属含量的偏差应控制在 0 5 CompanyLogo 四钛及其合金 Titaniumandtitaniumalloyasbiomdicalmaterials 1 组织结构A纯钛882 C以下为密排六方 单相组织882 C以上至熔点为体心立方 单相组织B合金合金元素 稳定化元素 Fe Mo Mg Cr Mn V 稳定化元素 Al N O B中性元素 Sn Zr合金类型 型 TA 型 TB 型 TCTi6Al4V TC4 双相组织 CompanyLogo 2 化学成份 Ti金属和Ti合金化学成份组成 以质量分数计 纯钛和TC4 Ti 6Al 4V 为主 这类合金强度不如钴合金 但耐腐蚀性好 与人体组织反应很弱 钛合金的密度小 弹性模量低 接近于天然骨 广泛用于制作各种人工关节 接骨板 骨螺钉与骨折固定针等 也用于制作牙根种植体等 呈现出良好的耐疲劳性能 CompanyLogo Ti金属和Ti合金的机械力学性能 ASTM F136 商业用的纯钛和Ti 6Al 4V的机械力学性能如表所示 它们的弹性模量约为110GPa 大约是钴基合金的一半 CompanyLogo 3 性能特点 密度小 4 5g cm3 仅为铁基和钴基合金的一半机械强度高 弹性模量低耐腐蚀性 和抗疲劳性能优于不锈钢和钴基合金硬度低 耐磨性能差生物相容性好 CompanyLogo 4 生物相容性 钛是目前已知的生物亲和性最好的金属之一 其表面易形成致密的二氧化钛钝化膜 组织反应轻微凝胶状态的二氧化钛膜具有诱导体液中钙 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性结合能力弹性模量较低 力学相容性好 CompanyLogo 5 加工工艺 双真空或惰性气体保护 自耗电极熔练 需严格控制杂质元素含量精密铸造 精密锻造或采用轧制材料固溶处理和时效处理改善力学性能 钛的冶练和成型加工比其它金属材料困难 CompanyLogo 6 性能问题 硬度较低 耐磨性差弹性模量仍然偏高 约为骨的4 10倍含有毒性元素 表面高温离子氮化离子注入 CompanyLogo 钒 在骨 肝 肾 脾等器官聚集 毒性反应主要与磷酸盐的生化代谢有关影响Na K Ca2 和H 的浓度以及ATP酶的作用毒性超过Ni和Cr铝 以铝盐的形式积蓄在体内导致器官的损伤 引起骨软化 贫血和神经紊乱等症状 CompanyLogo 纯钛具有优异的生物相容性 主要临床表现在1 钛表面与组织具有良好的生物反应 无毒 不致癌 不致畸 不诱发变态反应2 钛不产生炎症 CompanyLogo 钛基合金 Ti 6Al 4V Ti 5Al 2 5FeTi 6Al 7Nb 新型 钛合金1 无毒 质轻 强度高 生物相容性好 耐腐蚀 生物相容性好2 含有 Al 元素 会导致器官的损伤 引起骨软化 贫血 和神经紊乱等症状 钛合金人工髋关节 CompanyLogo 研发现状 世界上每年有近千吨医用型钛及钛合金材料用于制造人体植入物 其中80 是Ti 6Al 4V 随着医用型钛合金Ti 6Al 4V应用发展 开发出具有高断裂韧性 低裂纹扩展的低间隙元素开型Ti 6Al 4VEL1钛合金 积极开发无铝 新型钛合金 如Ti 13Nb 13Zr钛合金 ASTMF1713 1996 Ti 12Nb 6Zr 2Fe ASTMF1813 1996 从综合性能 良好的变形加工与价格定位上看 Ti 6Al 4V合金 仍然是至今为止 最为理想的人体植入物金属材料 CompanyLogo 钛制金属件 有上百种 CompanyLogo 五形状记忆合金 自1951年美国首次报道Au Cd 金 镉 合金具有形状记忆效应以来 目前已发现有20多种记忆合金 其中以镍钛 Ni Ti 合金在临床上应用最大它在不同的温度下表现为不同的金属结构相 如低温时为单斜结构相 高温时为立方体结构相 前者柔软可随意变形 如拉直式屈曲 而后者刚硬 可恢复原来的形状 并在形状恢复过程中产生较大的恢复力 CompanyLogo CompanyLogo 形状记忆合金可以分为三种单程记忆效应双程记忆效应全程记忆效应 CompanyLogo 特点 奇特的形状记忆功能 质轻 磁性微弱 强度较高 耐疲劳性能 高回弹性和生物相容性好等应用 管腔狭窄的治疗 喉气管狭窄 食管狭窄 胆道狭窄 尿道狭窄及闭锁等 支架安入管腔狭窄的部位后 能将狭窄管腔撑开 并与管壁相贴紧 固定好 其生物相容性好 长期安放对黏膜无明显损伤 其高回弹性能顺应管道的弯曲 对人体刺激小口腔科 用这种材料做成的种植牙具有齿槽骨切口小 固定牢靠等优点骨科 人工关节 断骨连接 弯曲脊柱矫正血管外科 治疗主动脉瘤 冠状动脉和椎动脉狭窄等 CompanyLogo 纯金属钽 Ta 六医用钽 铌 锆材料 钽是化学活性很高的金属 在生量或其它环境中 甚至在缺氧的的状态下 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 并且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 最近有研究表明 多孔金属钽在其表面进行生物活化处理后 植物动物体内 孔内有新骨生成 具有诱导成骨性 这表明金属钽具有优良的生物学性能 钽合金的机械力学性能 CompanyLogo 纯金属铌 Nb 铌合金的机械力学性能 铌为难熔金属 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 医用铌一般采用高纯铌 铌在医学方面与钽类似 如修复颅骨和骨髓内钉等 由于其来源和经济等原因 医用铌的用途受到很大的限制 CompanyLogo 纯金属铂 Pt 铂是一种银白色金属 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 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的电子装置 心脏起博器等铂及其合金的力学性能较差 及其成本较高 限制了其在临床上的应用 CompanyLogo 常见医用金属材料及特点 优点 CompanyLogo 七金属与合金表面涂层处理 金属与合金在生物体内的腐蚀问题尚未解决 需对其表面进行改进 表面改性不仅要抑制有害金属的溶出 而且要促进组织的再生和加强材料与组织的结合 CompanyLogo 表面氧化 不锈钢骨钉 化学处理 表面诱导矿化 表面修饰 离子注入 CompanyLogo 实例 钛表面阳极氧化 BrammerKS OhS CobbCJ Improvedbone formingfunctionalityondiameter controlledTiO2nanotubesurfaceActaBiomaterialia2009 5 3215 3223 CompanyLogo BrammerKS OhS CobbCJ Improvedbone formingfu