生物医学工程前沿-金属基生物材料课件.ppt

* * * * * * * * * 用粉笔做例子 * * 有一层膜是多么的重要 * * * * * * * * * 红豆换成绿豆，口味肯定不一样 死面的变成发面的，口感肯定不一样 * * 生物医学工程前沿 -镁基与钛基生物材料 赵大鹏 湖南大学生物学院 2015.01.08 生物材料概述 $254,000,000,000 90% 骨退行性疾病 类风湿性关节炎 骨质疏松症 生物材料概述 1860s 1970s 纯Ti和Ti-6Al-4V的应用 Mg合金的应用研究 3500 B.C. 埃及 400 B.C. 中国 7th 玛雅 英国 李斯特开始无菌手术 美国 1930s 不锈钢与钴铬合金的应用 德国 2000s 德国 生物材料概述 生物材料 生物体材料 (Biological material) 生物医用材料 纤维蛋白、胶原蛋白 生物医用材料 (Biomedical material) e.g. e.g. 人造骨骼、医疗器械 按来源分：天然与合成材料 按成分分：金属、高分子、陶瓷与复合材料 按生物性能分：惰性、活性、降解和复合材料 按用途分：硬组织、软组织、药物载体等材料 按接触关系分：长期植入、短期植入、一次性和可降解材料 人造植入材料 生物力学相容性 生物相容性 电化学性能 耐摩擦性能 70-80%都是金属基材料 金属基生物材料 金属基生物材料 2. 生物相容性 组织相容性 (Histocompatibility) 血液相容性 (Blood compatibility) 我再也不吃小龙虾了！ 我去，这草有毒！ 李时珍临死前的最后一句话 金属基生物材料 3. 电化学性能 抗腐蚀性能 (Corrosion resistance) 使用了30年的钒钢固定板 金属基生物材料 4. 摩擦性能 耐磨性能 (Wear resistance) 密度 (g/cm3) 弹性模量 (GPa) 屈服强度 (MPa) 延伸率 (%) 耐腐蚀性能 生物相容性 骨骼 ~1.6 4~30 100~120 ~7 —— —— Ti合金 4.4~4.8 ~110 250~850 10 极高 高 Mg合金 ~1.7 ~45 100~200 5 差 高 CP-Nb 8.57 105 ~700 20 极高 高 CP-Ta 16.69 186 ~800 20 极高 高 不锈钢 7.95 ~210 ~360 ~40 高 Cr存在细胞毒性 CoCr合金 9.10 ~240 ~620 ~45 极高 Cr、Co存在细胞毒性 金属基生物材料 常用金属基生物植入材料与人体骨骼性能比较 生物医用镁合金 镁(Magnesium) 1s2, 2s2, 2p6, 3s2 活泼！ 生物医用镁合金 镁基生物材料 低密度 可降解 优异的生物相容性 低弹性模量 1. 生物医用镁合金的优点 2. 生物医用镁合金的不足 镁基生物材料 腐蚀速度过快 耐磨性能较差 制备困难 生物医用钛及钛合金 SF6 生物医用镁合金 3. 主要研究方向 控制腐蚀速度 Mg-Re：强度高，腐蚀速率较低，但存在潜在毒性 Mg-Ca：生物相容性好，但强度低，而且腐蚀速率较高 Mg-Zn：生物相容性较好，强度较高，腐蚀速率较低 Mg-Ag：生物相容性较好，且有抗菌性能 生物医用钛及钛合金 钛(Titanium) 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 3d2, 4s2 Ti+O2 TiO2 Ti+N2 Ti+H2 TiH2 TiN Ti+Cl2 TiCl4 Fe Ti 生物医用钛及钛合金 β-Ti α-Ti 生物医用钛及钛合金 额骨和顶骨 髋关节骨臼 接骨板 生物医用钛及钛合金 钛基生物材料 较低密度 高强度和延伸率 优异的生物相容性 优秀的抗腐蚀性能 1. 生物医用钛合金的优点 2. 现有生物医用钛合金的不足 钛基生物材料 刚度依然较高 耐磨性能较差 与组织的生物结合 能力有待提高 Al、V等元素 存在生物毒性 生物医用钛及钛合金 生物医用钛及钛合金 3. 解决办法 目的 途径 1、β-或近β-Ti合金 2、提高孔隙度 低弹性模量 生物医用钛及钛合金 生物医用钛及钛合金 目的 途径 高生物相容性 1、避免使用有毒元素 2、有利于细胞吸附与增殖 Nb Al Co Cr Zr Ta Cu V Sn X 生物医用钛及钛合金 生物医用钛及钛合金 目的 途径 高强度和塑性 1、保证成分均匀 2、防止杂质相析出 3、控制孔隙度 生物医用钛及钛合金 4. 制备方法 传统真空熔炼及后续机加工方法 粉末冶金方法 材料浪费严重，成本高 加工困难，工艺流程长 传统压制烧结方法 注射成型方法 3-D打印方法 固态发泡方法 。。。。。。 生物医用钛及钛合金 Three-Dimensional Printing (3DP) 3-D打印 Se