生物材料医用金属

第四章金属基生物材料1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624.1金属医用材料概述定义：是一种用作生物医用材料的金属或合金，又称作外科用金属材料或医用金属材料，通常是指一类生物惰性材料。应用：通常用于整形外科、牙科等领域，具有治疗、修复固定和置换人体硬组织系统的功能。目前临床应用的金属植入材料主要包括：医用贵金属、医用钛、钽、铌、锆等单质金属，以及不锈钢、钴基合金、钛合金、镍钛形状记忆合金、磁性合金等。34金属材料应用最早，已有数百年的历史；半永久性或永久性地植入体内，以置换被破坏的、病变的或部分磨损的组织，或进行骨骼、关节、血管、牙齿等的修复。常用的植入用的生物材料按其先后采用次序为：金属、高分子聚合物和无机材料。54.2.1基本要求作为金属生物医学材料，首先考虑植入人体，其基本要求是同一的，必须符合“医用级”标准。临床上根据应用部位和功能要求不同，有不同需求。例如：体外用电子假手比较简单，植入体内者要求就特别严格。4.2医用金属材料的特性与要求61.生物相容性良好即对人体的适应性和亲和性，包括组织、体液、力学和电学相容性等方面。其中，首先是生物相容性，即必须是最小的生物学反应，无不良刺激，无毒害，不引起毒性反应、免疫反应，或干扰免疫机能，无变态和过敏，不致癌，不致畸，无炎性反应，不引起感染，不被排斥。植入后需较长期存在，能有助于愈合及附着。72．足够的能适应应力的机械性能（I）足够的强度和韧性，包括静力和动力学强度，能承受人体某部位机械作用力，不因生理环境而降低强度。（II）弹性疲劳、变形；弹性与组织相容。（III）磨损及摩擦性能与组织相容，即耐磨性好。（IV）硬度与植入区组织相近似或适应。（V）表面光洁度。83．理化性能稳定要求高度惰性，不因体液而有变化，结构稳定。I）抗化学性和电离性腐蚀。II）抗溶解和膨胀。III）无毒。IV）无热源反应。V）耐久性。

9４．符合生物力学要求，设计合理，结构简单，适应功能需要。材料本身及器具设计、结构和技术操作均须符合人体生物力学要求。材料选择与结构也不同，原则是仿生而不是解剖复制。５．易于加工造型和制作，易植入和再次手术（3D打印）。６．价格低廉，来源易得，便于推广应用。

104.2.2金属材料的特殊要求１．腐蚀问题

金属材料的缺点主要是腐蚀问题。后果：降低或破坏金属材料的机械性能，导致断裂；产生腐蚀产物，对人体有刺激性和毒性。

11提高金属的抗蚀性能措施：主要依靠其表面保护层和光洁度。表面保护层借助钝化来实现。铬有最佳的钝化性能，故合金中含铬量高越易钝化。金属表面抛光越细，表面活化中心出现越晚，耐蚀性也随之提高。122.毒性问题金属的毒性主要作用于细胞，可抑制酶的活动，阻止酶通过细胞膜扩散和破坏溶酶体。利用测定乳酸脱氢酶(LDH)和6-磷酸葡萄糖脱氢酶(G-6-PD)活性法检测植入金属对鼠类吞噬细胞的影响，可以表明；有毒金属如钴镍和钴铬合金能损伤细胞，释放LDH，降低G-6-PD的活性，但钛、铬、钼则能为吞噬细胞所耐受。某些金属成分还可以引起过敏反应。133.金属的机械性能用于人工股骨的金属股骨头，要求强度不低于540Mpa。人股骨头抗压强度为143Mpa，纵向弹性模量约为13.8Gpa，径向弹性模量为纵向的1/3。金属植入物在体内不能自行调节。因此，在体内代替骨骼时必须比骨骼有更高的强度和弹性模量以及抗疲劳性能。一般使用的金属弹性模量均应比骨骼的大，否则过低不能获得良好的骨折固定。但过大也会增加应力集中（遮挡）。14对人工关节的金属材料而言，抗疲劳和耐磨损是主要问题。以髋关节为例：股骨头负荷为45.36kg时，股骨近端内侧骨皮质应力高达8.27Mpa，实际应力比理论值还要大三倍。

人工股骨头每年还要经受3.65

106次交变载荷（每日一万步计），故材料必须具有高抗疲劳和耐磨损性能。一般钴基合金较优，钛及其合金则较差，但可通过表面渗氮以增强。154其他金属材料可用热、化学和放射等方法消毒灭菌，如配合应用复合材料,应注意高分子材料不能耐热或气体消毒。在冶炼过程中，有无添加剂，采用何种工艺（包括电弧、真空冶炼、沉淀硬化、热处理、冷加工等），均可影响质量。抗凝血或溶血、抗感染等特殊要求，也需不断提高或解决。植入器件的固定松动问题可试用多孔材料，以获得生物镶嵌内锁型固定。4.3常用医用金属材料4.3.1不锈钢（1）分类、组成和性能医用不锈钢为铁基耐蚀合金，是最早开发的生物医用合金之一，以其易加工、价格低廉而得到广泛的应用，其中应用最多的是奥氏体超低碳316L和317L不锈钢。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。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。16不锈钢中的铬（Cr）可形成氧化铬钝化膜，改善抗腐蚀能力；镍（Ni）和铬（Cr）起到稳定奥氏体结构的作用；镍的含量为12-14%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。此外，降低不锈钢中的Si、Mn等杂质元素及非金属夹杂物，可进一步提高材料的抗腐蚀能力。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。

17（2）生物相容性医用不锈钢的生物相容性与其在机体内的腐蚀行为及其所造成的腐蚀产物所引起的组织反应有关。其腐蚀行为涉及均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、磨蚀和疲劳腐蚀。由于腐蚀会造成金属离子或其他化合物进入周围的组织或整个机体，因而可在机体内引起某些不良组织学反应。在多数情况下，人体只能容忍微量浓度的金属腐蚀物存在。因此，必须从材料的组成、制造工艺和器件设计等方面着手，尽量避免不锈钢在机体内的腐蚀和磨损的发生。18

（3）临床应用（1）人工关节和骨折内固定器械。如人工全髋关节、半髋关节、膝关节、肩关节、肘关节、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、哈氏棒、鲁氏棒、人工椎体和颅骨板等，这些植入件可替代生物体因关节炎或外伤损坏的关节，应用于骨折修复，骨排列错位校正，慢性脊柱矫形和颅骨缺损修复等。

（2）在齿科方面，医用不锈钢被广泛应用于镶牙、齿科矫形、牙根种植及辅助器件。如各种齿冠、齿桥、固定支架、卡环、基托等；各种规格的嵌件、牙列矫形弓丝、义齿和额骨缺损修复等。19（3）在心血管系统，医用不锈钢广泛应用于各种植入电极、传感器的外壳和合金导线，可制作不锈钢的人工心脏瓣膜；各种临床介入性治疗的血管内扩张支架等。（4）医用不锈钢在其他方面也获得了广泛的应用，如用于各种眼科缝线、固定环、人工眼导线、眼眶填充等；还用于制作人工耳导线等。204.3.2医用钴基合金（1）组成与性能

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（塑性很好）。以其优良的力学性能和较好的生物相容性，尤其是优良的耐蚀、耐磨和铸造性能广泛得到应用。其耐蚀性比不锈钢强数10倍，硬度比不锈钢高1/3。因此，适合制作人工关节、义齿等磨蚀较大的医用器件。50年代开始用于人工髋关节的制造。21（2）生物相容性钴基合金在人体内多保持钝化状态，很少见腐蚀现象，与不锈钢相比，其钝化膜更稳定，耐蚀性更好。

从耐磨性看，它也是所有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，在体内引起细胞及组织坏死，从而导致患者疼痛以及关节松动、下沉。钴、镍、铬还可产生皮肤过敏反应，其中以钴最为严重。22（3）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最广泛的两类材料。相对不锈钢而言，前者更适合于制造体内承载苛刻、耐磨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，详见医用不锈钢。234.3.3钛和钛合金（1）分类、组成和性能在外科植入中运用的Ti金属材料有四个级别，它们之间的区别在于杂质含量不同。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。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%)和V(3.5-4.5%)。24钛及钛合金的密度较小，为4.5g/cm3，几乎仅为铁基和钴基合金的一半，其比强度高，弹性模量低，生物力学相容性较好；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。钛是目前已知的生物亲和性最好的金属之一，钛易与氧反应形成致密氧化钛（TiO2）钝化膜，植入后引起轻微的组织反应。凝胶状态下的TiO2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性结合能力，尤其适合于骨内埋植。25（2）表面处理与生物相容性钛及钛合金的表面钝化处理可使材料表面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。钝化后的植入器件在生理环境下均匀腐蚀甚微。但氧化膜中的钛仍可以以离子的形式扩散并积累于周围组织，引起相邻组织的颜色呈蓝灰至黑色，经多年临床观察发现，这种组织变色反应并不造成大的生理危害。

26钛及钛合金缺点是硬度较低，耐磨性差。若磨损发生，首先导致氧化膜破坏，随后磨损得颗粒腐蚀产物进入生物组织，尤其是Ti6Al4V合金中含有毒性的钒（V）可导致植入物的失效。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，从而提高硬度和耐磨性。为了改善钛及合金与骨组织的结合性，可采用等离子喷涂和烧结法在钛合金基材表面上涂多孔纯钛或Ti6Al4V合金涂层，有利于新骨组织长入形成机械结合。80年代又开发了钛合金表面等离子喷涂羟基磷灰石陶瓷涂层的技术，使钛合金表面具有生物活性，成功用于钛种植牙根和人工关节柄部，提高了植入物与骨组织的结合强度。27（3）临床应用在骨外科，用于制作各种骨折内固定器械和人工关节。其特点是弹性模量比其他金属材料更接近天然骨、密度小、质量轻。但钛合金耐磨性能不好。因此，用钛合金制造组合式全关节需注意材料间的配合。在颅脑外科，微孔钛网可修复损坏的头盖骨和硬膜，能有效保护脑髓液系统。钛合金也可制作颅骨板用于颅骨的整复。28在口腔及额面外科，纯钛网作为骨头托架已用于颚骨再造手术，制作义齿、牙床、托环、牙桥和牙冠等，在口腔整畸、口腔种植等领域也有良好的临床效果。在心血管方面，纯钛可用来制造人工心脏瓣膜和框架。在心脏起搏器中，密封的钛盒能有效防止潮气渗入密封的电子元器件。294.3.6其他金属（1）医用钽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。30

钽合金力学性能见下表。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。31（2）医用铂

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/cm2(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。32（3）医用铌铌为难熔金属，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/cm3。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。

334.4医用金属材料的腐蚀

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。

344.4.1腐蚀的机理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。354.4.2生理腐蚀

金属材料在体内与人体体液之间发生的腐蚀。

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。

医用金属材料植入体内后处于长期浸泡在含有有机酸、碱金属或碱土金属离子（Na+、K+、Ca2+）、Cl－离子等构成的恒温（37℃）电解质的环境中，加之蛋白质、酶和细胞的作用，其环境异常恶劣，材料腐蚀机制复杂。

此外，磨损和应力的反复作用，使材料在生物体内的磨损过程加剧，可能发生多种腐蚀机制协同作用的情况。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。36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。37(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，多发生在界面部位38(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。(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。39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4.4.3常用金属材料的耐腐蚀性能404.5金属与合金表面涂层处理

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。

414.5.1物理化学方法

--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424.5.2形态学方法：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。434.5.3生物化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。44

4.6医用金属材料研究进展

4.6.1医用镁及镁合金材料的研究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/cm3，与人骨密度(1.75g/cm3)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。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。45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。46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。47镁合金骨修复材料的研究48目前，应用于骨板、骨钉的材料主要是钛及钛合金、不锈钢及聚乳酸等。钛及钛合金、不锈钢等金属材料会发生应力遮挡效应，与人体骨的弹性模量不匹配，使骨骼强度降低、愈合迟缓。聚乳酸等高分子材料力学性能差，很难承受较大的负重。因此,需要发展新的骨固定材料,即既要有类似于人骨的力学性能,又要有良好的生物相容性,并且不产生毒性。研究背景49研究进展镁合金最早在上世纪30年代就开始用于骨修复和整形外科，但是由于其降解速率太快，产生大量的氢气，从而限制了其应用。随着合金技术的发展，更多的合金元素尤其是稀土元素被发现和应用于镁合金中，使得其物化性能和生物性能得到改善和提高，尤其是可能克服镁合金在体内降解过快的缺点。501、德国汉诺威尔大学医学院，AZ31，AZ91，WE43，LAE442四种镁合金动物实验，镁合金降解速率受合金元素影响很大。2、利用HA颗粒增强镁基体（MMC-HA）：细胞活性、机械性能，抗腐蚀。3、沈阳金属所：成分Mg-Zn,Mg-Mn,体外体内实验，生物相容性和降解性；形状－纯镁激光雕刻成多孔块，HA涂层。4、郑州大学：Mg-Zn-Zr镁合金，电化学沉积，微弧氧化工艺形成多孔纳米HAP涂层。体内体外耐蚀性和生物相容性研究；最终获得与骨组织正常生长速率相适配的镁合金医用材料。5.北京大学：镁钙合金。研究现状51镁合金的模量接近人骨的模量，能有效降低应力遮挡效应。镁与镁合金的密度约与人骨密度接近，远低于其它金属材料的密度，符合理想接骨板的要求。镁合金能够在骨愈合的初期提供稳定的力学环境，逐渐而不是突然降低其应力遮挡作用，使骨折部位承受逐步增大乃至生理水平的应力刺激，从而加速愈合，防止局部骨质疏松和再骨折。镁合金的优势一：物化性能StaigerMP,etal.Magnesiumanditsalloysasorthopedicbiomaterials:areview.Biomaterial,2006,27:1013戴尅戎.骨折内固定与应力遮挡效应.医用生物力学,2001,15(2):6952镁合金的优势二：生物学性能良好的生物相容性和生物可降解性。是人体细胞内阳离子，参与蛋白质合成，能激活体内多种酶，调节肌肉神经和中枢神经系统的活动，保障心肌正常收缩。成年人的体内大约含有30克镁，大部分分布在肌肉和骨组织中。研究表明：镁对于骨髓细胞的生长没有抑制作用,也没有发现细胞溶解现象。

2016年8月29日，国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《NatureMedicine》杂志在线发表了香港中文大学秦岭教授和北京大学郑玉峰教授等人合作发表的一篇研究论文，论文报道了关于镁金属成骨作用机制及骨折修复作用的原创研究文章。本研究很好地解释了镁金属体内成骨作用的机理，揭示了外周感觉神经在骨代谢中的关键作用，并首次在动物骨折模型中用镁金属促进了骨折的愈合。该项研究为可降解镁金属在骨科的临床应用奠定了理论基础。53镁合金的缺点及分析降解速率过快临床要求降解时间为2年以上提高耐腐蚀性能的方法(1)镁合金基底：开发并提纯镁合金(2)快速凝固工艺的应用(3)表面处理方法和涂层工艺产氢气水溶液中降解反应

54小结优点：镁合金具有金属材料的力学强度，同时具有可降解性；镁合金的生物相容性好，不会引起细胞毒性和异体反应；镁合金的各项物化性能使其具有更好骨科应用潜力。缺点：降解速率太快。55镁合金基底对钙磷涂层的影响涂层的制备铸造合金：AZ31；0.5Ca：90.5Mg-7.0Zn-1.0Zr-0.5Ca-1.0Nd;2.0Ca：89.0Mg-7.0Zn-1.0Zr-2.0Ca-1.0Nd;仿生溶液离子浓度为：Ca2+，7mM；H2PO4－，4.2mM；HCO3，2mM；Na+，6.2mM；NO3，14mM。沉积时间为24小时56SEMmorphologicalfeatureofthecoatingsafterdepositionfor24honAZ31:(A)topview,(B)cross-section;on0.5Ca:(C)topview,(D)cross-section;on2.0Ca:(E)topview,(F)cross-section;(E),(F),respectively.形貌观察57XRDpatternandFTIRspectraofthecalciumphosphatecoatingsonmagnesiumalloysafterdepositioninSCSfor24h

结构与成份分析58能谱分析59AZ31VariationofthemasslosspercentageofsampleswithcoatingandcontrolsampleswithoutcoatingwithimmersiontimeintheNaClaqueoussolution(wt%=3%).

0.5Ca2.0Ca降解性能比较60仿生溶液对钙磷涂层形成的影响涂层的制备铸造合金：2.0Ca：89.0Mg-7.0Zn-1.0Zr-2.0Ca-1.0Nd仿生溶液：Ionconcentrations(mM)solutionsCa2+H2PO4－HCO3－Na+NO3－Cl－SCS17729140SCS274.226.2140SCS372.824.8140SCS474.226.277SCS574.226.201461结构与成份分析62涂层的形貌与元素分析SCS1SCS2SCS363形成过程1h2h4hSCS2SCS4SCS564通过对不同时间形成涂层形貌的对比分析，得到不同形貌形成的理论图示，从孔状结构长到草状花状形貌。形成过程推理654.6.2多孔医用金属材料研究多孔金属定义：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：按其结构来分，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。66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。67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。68(1)多孔钽多孔钽最初由美国新泽西州Implex公司开发。多孔钽由商业纯钽制成，在制作过程中，以聚亚胺酯热降解得到的碳骨架为支架，该碳骨架呈多面的十二面体，其内为网络样结构，整体遍布微孔，孔隙率可高达98%，再将商业纯钽通过化学蒸汽沉积、渗透的方法结合到碳骨架上就形成了多孔金属结构。同时我们使用的多孔钽材料其表面的钽层厚度在40-60μm之间；在重量上钽约占99%，碳骨架则占1%左右69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。70(2)多孔镁及镁合金多孔镁基材料作为一种可降解的生物材料能够给细胞提供三维生长空间，有利于养料和代谢物的运输交换，其本身具有生物活性，可诱导细胞分化生长和血管的长入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。71目前关于制备多孔镁的研究报导不多，主要采用铸造法和粉末冶金法进行制备。日本名古屋国家工业技术研究院在1999-2000年度对多孔镁的制备及部分力学性能作了初步的研究，得到了孔隙率约90%