醫(yī)用金屬材料材料知識簡介.ppt

醫(yī)用金屬材料,醫(yī)用金屬材料,一、材料,二、醫(yī)用金屬材料,三、常用醫(yī)用金屬材料,材料？,定義：宇宙間可用于制造有用物品的固態(tài)物質統(tǒng)稱為材料,有用的、并能用來制造物品（件）的物質 一般指固態(tài)的，可用于工程上的物質工程材料 作為材料科學研究對象的材料則主要是那些制造器件或物品的人造物質,物質材料,材料定義,材料四要素,材料金屬材料,金屬 材料,材料金屬材料,定義：金屬元素或以金屬元素為主構成的具有金屬特性的材料！,晶體,金屬鍵,導電,導熱,可延展性,金屬光澤,冶煉,制備,補充：金屬元素或以金屬元素為主（以金屬鍵相互結合在一起）構成的具有 （導電、導熱、金屬光澤、可延展性等）金屬特性的（固態(tài)晶體）材料（水銀除外）,金屬原子,材料金屬材料,礦石,連鑄連軋,材料金屬材料,晶體,金屬鍵,離子鍵,共價鍵,（范德華力）,正離子-正離子 自由電子-自由電子 正離子-自由電子,無方向性 無飽和性 低能密堆結構,導電性和導熱性,良好的延展性,自由電子,空間點陣,晶格,晶胞,材料金屬材料,14種布拉非空間點陣,晶系的劃分（晶格）,材料金屬材料,元素周期表中一共約有110種元素，其中80多種是金屬，占2/3。 這80多種金屬的晶體結構大多數(shù)屬于三種典型的晶體結構,體心立方晶格,面心立方晶格,密排六方晶格,材料金屬材料,單晶體,多晶體,結晶方位完全一致 不同晶面和晶向的力學性能不同各向異性,物質晶體內部包含了多個小晶體，小晶體內部 結晶方位完全一致，而各小晶體之間位向不一 致，小晶體稱為“晶?！保ЯＥc晶粒之間的邊界 稱為“晶界”，這種晶體就是多晶體 多晶體具有各向同性的性質,材料金屬材料,置換固溶體,間隙固溶體,金屬間化合物（Fe3C）,條帶狀珠光體（組織）,球狀珠光體（組織）,材料金屬材料,終極目的：金屬強化,提高合金的原子間結合力,向晶體內引入大量晶體缺陷,結晶強化,形變強化,固溶強化,相變強化,晶界強化,沉淀強化 (或稱彌散強化),馬氏體強化,細化晶粒,提純強化,熱處理,相變強化基礎 多相組織,材料金屬材料,總結,醫(yī)用金屬材料,用于人體硬組織修復和替換的金屬材料,定義？,用于制作人體疾患治療用工具的金屬材料,植入物 （生物醫(yī)用金屬材料）,器械,醫(yī)用金屬材料特性與要求,1、良好的生物相容性,2、優(yōu)良的機械性能,3、優(yōu)良的耐腐蝕性能,無不良刺激、無毒害 不引起毒性反應、免疫反應 不致癌、不致畸 無炎性反應，不引起感染，不被排斥 有助于愈合和附著,合適的強度與彈性模量 較好的耐磨性,在復雜的體液環(huán)境中良好的耐蝕性,醫(yī)用金屬材料-應用,應 用,器 械,骨 科 植 入 物,心 血 管 支 架,牙 科 矯 形 或 植 入,常用醫(yī)用金屬材料,不銹鋼,貴金屬,單質金屬,鈷基合金,鈦合金,鎳鈦形狀 記憶合金,常見醫(yī)用 金屬材料,發(fā)展趨勢,無害化,低彈性模量,可降解,良好的生物相容性,常用醫(yī)用金屬材料鈦合金,目前已知的生物親和性最好的金屬之一,較低的彈性模量（110GPa）,鈦易于氧反應形成致密氧化鈦(TiO2)鈍化膜，植入后引起的組織反應輕微。 凝膠狀態(tài)的TiO2膜甚至具有誘導體液中鈣、磷離子沉積生成磷灰石的能力， 表現(xiàn)出一定的生物活性和骨結合能力，尤其適合于骨內埋植,高的比強度,優(yōu)異的耐腐蝕性能,應用 廣泛 ？,常用醫(yī)用金屬材料鈦合金,鈦合金 分類,鈦合金,鈦合金, +鈦合金,工業(yè)純鈦（TA1TA4） TA系列,TB系列,TC系列, 相：密集六方晶格,相：體心立方晶格,882.5,Al、Sn、C、O、N,V、Mo、Ta、Nb、Cr,常用醫(yī)用金屬材料鈦合金,鈦合金,主要加入元素：Al 高溫強度、低溫韌性、耐蝕性能優(yōu)異 不可以通過熱處理強化 強度較低 醫(yī)用常見牌號：TA1 ELI、TA1、TA2、TA3、TA4,常用醫(yī)用金屬材料鈦合金,主要加入合金元素：Mo、Cr、V、Al 可熱處理：淬火加時效處理后，組織為相基體上分布著細小的相粒子； 強度高 冶煉工藝復雜，焊接性能差 高溫長時期穩(wěn)定性能差（工業(yè)長用于350以下工作的結構件或緊固件） 傳統(tǒng)上未應用于醫(yī)療領域,鈦合金,常用醫(yī)用金屬材料鈦合金,主要加入合金元素：Al、V、Mo、Cr 可熱處理強化、強度高、塑性好 具有良好的熱強性、耐蝕性和低溫韌性 醫(yī)用常見牌號：TC4、TC4 ELI, +鈦合金,ELI？,Extra Low Interstitial 超低間隙原子 氧、氮、碳、氫間隙元素含量特別低的鈦合金 間隙元素含量的一般要求為：O0.13 wt， N0.03 wt， C0.08 wt， H0.015 wt 好處： (1)可以降低鈦合金的塑性脆性轉變溫度； (2)可以顯著提高鈦合金的斷裂韌性,常用醫(yī)用金屬材料鈦合金,發(fā)展趨勢,1）長期用于人體會析出極微量的V和Al離子，降低 細胞適應性，造成骨質疏松和精神紊亂等病癥； 2）彈性模量與骨相比仍有較大差距，容易產生“應 力屏蔽”，從而導致種植體周圍出現(xiàn)骨吸收，最終引 起種植體的松動或斷裂而導致種植失敗。,常用醫(yī)用金屬材料鈦合金,Ti6Al4V,Ti6Al7Nb Ti5Al2.5Fe ,Ti-Zr系 Ti-Mo系 ,常用醫(yī)用金屬材料不銹鋼,什么是不銹鋼？,不銹鋼的種類及應用？,不銹鋼為什么耐蝕？,常用醫(yī)用金屬材料不銹鋼,鐵？鋼？,鐵,鋼,常用醫(yī)用金屬材料不銹鋼,通常所說的不銹鋼是不銹鋼與耐酸鋼的總稱（不銹鋼不一定耐酸，但耐酸鋼同時又是不銹鋼） 所謂不銹鋼是指能抵抗大氣及弱腐蝕介質腐蝕的鋼種 腐蝕速度0.01mm/年為“完全耐蝕” 腐蝕速度0.1mm/年為“耐蝕” 耐酸鋼是指在各種強腐蝕介質中能耐蝕的鋼 腐蝕速度0.1mm/年為“完全耐蝕” 腐蝕速度1mm/年為“耐蝕”,常用醫(yī)用金屬材料不銹鋼,不銹鋼為什么耐蝕？,腐蝕形式：“電化學腐蝕”和“化學腐蝕”,防止腐蝕的著眼點： 盡可能減少原電池數(shù)目 使鋼表面形成一層穩(wěn)定的、完整的、與鋼的基體結合牢固的鈍化膜 在形成原電池的情況下，盡可能減少兩極間的電極電位差,常用醫(yī)用金屬材料不銹鋼,不銹鋼為什么耐蝕？,減少原電池數(shù)目單相不銹鋼,形成鈍化膜不銹鋼鈍化處理,減小電極電位差合金化（基本元素Cr）,常用醫(yī)用金屬材料不銹鋼,不銹鋼 分類,鐵素體不銹鋼,馬氏體不銹鋼,奧氏體不銹鋼,雙相不銹鋼,沉淀硬化不銹鋼,常用醫(yī)用金屬材料不銹鋼,鐵素體不銹鋼,元素：Wcr=13%30%，Wc0.25% （有時也會加入其它元素） 金相組織：鐵素體，加熱過程中無相變，不能進行 熱處理強化 優(yōu)點：耐蝕性極好 缺點：韌性低，脆性大 用途：用于制作耐蝕性要求較高而強度要求較低的構 件，廣泛用于制造生產硝酸、氮肥等設備和化 工使用的管道,常用醫(yī)用金屬材料不銹鋼,馬氏體不銹鋼,元素：Wcr=12%19% 室溫金相組織：回火馬氏體，可熱處理強化 優(yōu)點：在氧化性介質（水蒸氣、大氣、海水等）中耐蝕性 較好； 缺點：在非氧化性介質中（各類酸堿溶液中）不能獲得良 好的鈍化狀態(tài)，耐蝕性很低 用途：1）耐蝕構件；2）醫(yī)療器械等,常用醫(yī)用金屬材料不銹鋼,奧氏體不銹鋼（又稱18-8鋼），,元素：基本成分：Wcr18%，Wni18%，Wc0.1% 室溫金相組織：單相奧氏體，不可熱處理強化 由來：克服馬氏體不銹鋼的耐蝕性不足和鐵素體不銹鋼脆性 過大而發(fā)展起來的； 優(yōu)點：優(yōu)異的耐蝕性能；良好的塑性、加工成型性、焊接 性能、低溫韌性；無磁性等； 缺點：局部耐蝕性能不足晶間腐蝕、應力腐蝕、點腐蝕 用途：制造生產硝酸、硫酸等化工設備構件、冷凍工業(yè)低溫 設備構件；經冷變形強化后可用作不銹鋼彈簧和鐘表 發(fā)條等。,常用醫(yī)用金屬材料不銹鋼,奧氏體不銹鋼醫(yī)療應用,302（12Cr18Ni9）,316（06Cr17Ni12Mo2）,316L（022Cr17Ni12Mo2）,Wc0.12%,Wc0.08%，加Mo，Mo能夠改善在 電解質溶液中的耐腐蝕性能,Wc0.03%，提高了其在含Cl溶液體系 中的耐蝕性能，降低了材料致敏性,常用醫(yī)用金屬材料不銹鋼,臨床應用 1)齒科：鑲牙、齒科矯形、牙根種植及輔助器件 2)人工關節(jié)和骨折內固定器械：人工肩關節(jié)、肘關節(jié)、全髖關節(jié)、半髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)、腕關節(jié)及指關節(jié)。各種規(guī)格的皮質骨和松質骨加壓螺釘、脊椎釘、骨牽引鋼絲、人工椎體和顱骨板等， 3)心血管系統(tǒng)：各種傳感器、植入電極的外殼和合金導線，可制作不銹鋼的人工心臟瓣膜、血管內擴張支架等 4)其它：如用于各種眼科縫線、人工眼導線、眼眶填充、固定環(huán)等。 缺點 腐蝕作用造成其長期植入的穩(wěn)定性差， 密度和彈性模量與人體硬組織相距較大，力學相容性差。 溶出的鎳離子有可能誘發(fā)腫瘤的形成及本身無生物活性，難于和生物組織形成牢固等原因，應用比例呈下降趨勢。,奧氏體不銹鋼醫(yī)療應用,常用醫(yī)用金屬材料不銹鋼,奧氏體不銹鋼 醫(yī)療應用,常用醫(yī)用金屬材料不銹鋼,雙相不銹鋼,元素：在奧氏體不銹鋼基礎上，增Cr減Ni 金相組織：奧氏體+鐵素體（W鐵素體=40%60%） 優(yōu)點：與奧氏體不銹鋼相比有較好的焊接性能 用途：廣泛應用于石油化工設備、海水與廢水處理設 備、輸油輸氣管線、造紙機械等工業(yè)領域,常用醫(yī)用金屬材料不銹鋼,沉淀硬化不銹鋼,以Cr18Ni9鋼為基礎發(fā)展起來的“奧氏體-馬氏體”型 以Cr13型馬氏體不銹鋼發(fā)站內起來的低碳馬氏體沉