第3章--医用金属材料.ppt

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。 必威体育精装版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。 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。 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； 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。 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。 课后习题 1、了解医用金属材料的特性与要求。 2、了解常用医用金属材料类型及其分类、组成、特性，生物相容性，临床应用。 3、掌握医用金属材料的生理腐蚀机理，腐蚀类型.解释钢钉在人体中为什么会发生腐蚀和采用什么方法可以防止腐蚀？ 4、详细论述生物医用金属材料的两个基本条件。 6、掌握改善金属生物材料的表面性能的主要方法。 5、简述钛及钛合金的特点以及在生物医学领域的应用。。 Thank you! * 3.3 钛和钛合金 （一）组成、生产工艺与性质 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，植入后引起的组织反应轻微。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。 纯钛在低于882℃时为六方密排（hcp）的α单相组织，力学性能较低，屈服强度为170～485Mpa，抗拉强度为240～550 Mpa，延伸率为15%～24%。随着钛中氧含量的增高，纯钛的强度提高，塑性下降。氧起着固溶强化的作用。此外，采用冷加工变形处理也可以提高纯钛的强度。 （二）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。 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，通