组织修复用金属材料.pptxVIP

报告人： 于 振 涛 1 组织修复用金属材料 先进耐磨蚀及功能材料研究院，暨南大学 2 医用金属材料概述 用于治疗、修复或替换人体组织、器官或增进其功能的一类先进生物材料，包括纯金属及其合金。 生物相容性好、强度高、韧性好、易加工、耐腐蚀等 不锈钢、钴铬合金、钛合金、形状记忆合金、稀有难熔金属、贵金属以及可降解金属等 主要用于永久性植介入机体组织的承力部位 无源医疗器械（俗称外科植入物和矫形器械）和有源医疗器械 外科植入、心脑血管微创介入、矫形、口腔颅颌面修复和整形等 3 医用金属发展现状与趋势 发展趋势如下： 1、生物惰性—生物活性—生物功能性 2、生物相容性—生物力学相容性—服役长效性 3、功能修复—功能替代—功能重建 4 人体硬组织概述 1、人体硬组织构成：宏观分为头骨、躯干和四肢；具体分为皮质骨、松质骨、关节软骨等，“特殊复合材料”。 皮质骨基本力学性能：抗拉强度~150MPa、压缩强度~230MPa、弹性模量~30GPa 2、骨组织的三大生理功能 ①贮藏骨髓：具有造血功能，储存Ca、P等重要矿物质，促进成骨 ②支持形体：骨失所养则不能久立，承受应力 ③主管运动：协调应力，连同肌肉、肌腱、韧带的收缩张弛而使躯体运动 图1. 人体骨骼及金属骨修复体 5 人体软组织概述 图2. 人体心血管血液循环系统 1、人体软组织构成： 除骨、齿、毛发以外的所有组织，包括“五脏六腑”、肌肉、血管等 2、主要功能：维持生命活动和食物和水的运化 6 金属医疗器械产品分类及应用领域 产品类型 典型产品 应用领域 骨与关节替代物 人工股骨头、髋关节、膝关节、踝关节、肩关节等 内科、外科、妇产科、儿科、中医针灸科、耳鼻喉科、口腔科、其他科室 骨接合植入物 髓内针、接骨板、接骨螺钉、椎间融合器等 脊柱植入物 脊柱及胸腰椎前、后路内固定系统等 心脏、血管植入物 血管内支架、心脏瓣膜、心脏起搏器等 颅骨修复植入物 两维及三等维网板、微型接骨板和螺钉等 齿科植入物 牙种植体、义齿及义齿基托和支架等 手术器械 穿刺器械、骨锯、骨钳等 涉及到7大系列、成千上万种不同金属医疗器械产品 表1. 金属医疗器械典型产品及应用 7 有源医疗器械 发展趋势：数字化、智能化、高精准化和网络化 8 典型医用金属材料及其医疗器械产品 医用 金属 板 棒 管 丝 基本检测评价试验 （涉及国标GB/T和行业标准YY/T共26项） 医用金属材料的生物相容性概述 生物相容性 (Biocompatibility)：血液、组织、免疫及全身反应，“生物安全性” 图3. 金属腐蚀（化学反应）诱发的发炎、感染、过敏等，俗称“金属病” 1、细胞毒性 2、致敏 3、刺激 4、皮内反应 5、全身毒性（急性毒性） 6、亚慢性毒性（亚急性毒性） 7、遗传毒性 8、植入 9、血液相容性 10、慢性毒性 11、致癌性 12、生殖与发育毒性 13、生物降解等 10 医用金属材料的生物力学相容性概述 生物力学相容性 (Biocompatibility)：能将载荷连续持久地传递到体内待治疗骨等组织上，并使施体与受体之间在界面处匹配、共存、协调的能力，涉及植入材料和周围组织弹性形变相匹配的性质。 “四性”：“可靠性”（强度、硬度、韧性、塑性）、“耐用性”（疲劳强度、磨损疲劳）、“稳定性”（耐磨性）、适配性（弹性模量、超弹性、记忆效应）。 图4. 生物力学失配造成的金属骨修复体的下沉、松动和断裂 11 影响医用金属材料生物力学相容性的有关因素—矛盾关系 11 （1）合金设计选择无毒副作用的合金元素Ti、Zr、Sn、Mo、Nb、Ta等，剔除 Al、V、Ni、Cr等有害元素（生物相容性好） （2）强韧性好、较低弹性模量（力学相容性好） （3）疲劳强度高，耐蚀、耐磨 （4）功能性（抗菌、超弹、可形状记忆等） （5）冷、热工艺成型性好 12 医用金属材料的研发策略 （1）晶粒组织细化（微纳化）（2）三维结构多孔化 实现手段：大塑性变形、表面改性、先进制造（3D打印）等 1、开发新型医用金属材料 2、优化升级传统医用金属材料 2mm 细晶化 多孔化 图5. 优化医用金属材料的常用方法 13 医用金属材料表面改性及先进制造概述 1、晶粒组织细化（微纳米尺度） 2、结构多孔化（表面或三维贯通） （1）大塑性变形（SPD）：EACP、ARB等 （2）表面改性：化学、物理（喷涂、PVD、激光加工）、机械法（喷丸、SMAT、SFT等） 应用目的：提高金属材料的耐磨耐蚀性、生物活性、抗凝血性等 （1）去合金化（2）粉末冶金（3）气相沉积（4）3D打印 应用目的: 提高生物活性、骨诱导性、骨传导性 (a) (b) (c) (d) 去