第四章醫(yī)用金屬材料

1、概述概述 定義：定義： 應(yīng)用：應(yīng)用：是一種用作生物醫(yī)用材料的金屬或合金，又稱作外科用金屬材料或醫(yī)用金屬材料，是一類生物惰性材料。 通常用于整形外科、牙科、骨科等領(lǐng)域，具有治療、修復(fù)固定和置換人體硬組織系統(tǒng)的功能。 目前臨床應(yīng)用的金屬植入材料主要包括：不銹鋼、鈷基合金、鈦合金、鎳鈦形狀記憶合金、醫(yī)用貴金屬、醫(yī)用鈦、鉭、鈮、鋯等單質(zhì)金屬，以及磁性合金等等。2 醫(yī)用金屬材料的要求醫(yī)用金屬材料的要求 (1)生物相容性生物相容性: 即生物學(xué)反應(yīng)最小 (2)優(yōu)良的機(jī)械性能優(yōu)良的機(jī)械性能: 強(qiáng)度與彈性模量（與生物體匹配） 耐磨性 (3)耐腐蝕性能：耐腐蝕性能：腐蝕不僅降低或破壞金屬材料的機(jī)械性能，導(dǎo)致斷裂，

2、還產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物，對(duì)人體有刺激性和毒性。 無不良刺激、無毒害，不引起毒性反應(yīng)、免疫反應(yīng)， 不致癌、不致畸，無炎性反應(yīng)，不引起感染，不被排斥。 有助于愈合和附著。（作為摩擦部件的醫(yī)用金屬材料，其耐磨性直接影響到植入器件的壽命）3 常用醫(yī)用金屬材料常用醫(yī)用金屬材料3.1 不銹鋼不銹鋼3.2 鈷基合金鈷基合金3.3 鈦合金鈦合金3.4 其它合金其它合金 3.1 3.1 生物醫(yī)用不銹鋼生物醫(yī)用不銹鋼3.1.1 3.1.1 不銹鋼不銹鋼 基礎(chǔ)知識(shí)金屬腐蝕類型金屬腐蝕類型 1）、均勻腐蝕（）、均勻腐蝕（general attack） 腐蝕均勻地在材料的表面產(chǎn)生，損壞大量的腐蝕均勻地在材料的表面產(chǎn)生，損壞大量

3、的材料。容易發(fā)現(xiàn)，危害性不是很大。材料。容易發(fā)現(xiàn)，危害性不是很大。2）、點(diǎn)腐蝕（）、點(diǎn)腐蝕（point corrosion） 腐蝕集中在材料表面不大的區(qū)域，向深處發(fā)展腐蝕集中在材料表面不大的區(qū)域，向深處發(fā)展，最后甚至能穿透金屬。，最后甚至能穿透金屬。 3）、晶界腐蝕（）、晶界腐蝕（intergranular corrosion） 晶界腐蝕是指腐蝕過程是沿著晶界進(jìn)行的，晶界腐蝕是指腐蝕過程是沿著晶界進(jìn)行的，其危害性最大。其危害性最大。4）、應(yīng)力腐蝕（）、應(yīng)力腐蝕（stress corrosion） 鋼在拉應(yīng)力狀態(tài)下能發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞的現(xiàn)象。鋼在拉應(yīng)力狀態(tài)下能發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞的現(xiàn)象。 沒有什么預(yù)兆

4、，所以其危害性也是比較大的。沒有什么預(yù)兆，所以其危害性也是比較大的。5）、磨損腐蝕（）、磨損腐蝕（corrosion wear） 在腐蝕介質(zhì)中同時(shí)有磨損，腐蝕和磨損相互促進(jìn)、在腐蝕介質(zhì)中同時(shí)有磨損，腐蝕和磨損相互促進(jìn)、相互加速的現(xiàn)象稱為磨損腐蝕。相互加速的現(xiàn)象稱為磨損腐蝕。 圖圖 各種腐蝕類型各種腐蝕類型 晶界腐蝕晶界腐蝕點(diǎn)腐蝕點(diǎn)腐蝕應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕裂紋裂紋提高鋼耐腐蝕性能的途徑主要有：提高鋼耐腐蝕性能的途徑主要有： （1 1）形成穩(wěn)定保護(hù)膜形成穩(wěn)定保護(hù)膜，CrCr、AlAl、SiSi有效。有效。 （2 2）提高固溶體電極電位提高固溶體電極電位或或形成穩(wěn)定鈍化區(qū)形成穩(wěn)定鈍化區(qū)CrCr、NiNi

5、、SiSi：NiNi貴而緊缺，貴而緊缺，SiSi易使鋼脆化，易使鋼脆化， CrCr是理想的。是理想的。（3 3）獲得單相組織獲得單相組織 NiNi、Mn Mn 單相奧氏體組織。單相奧氏體組織。（4 4）機(jī)械保護(hù)措施或復(fù)蓋層，如電鍍、涂漆等方法）機(jī)械保護(hù)措施或復(fù)蓋層，如電鍍、涂漆等方法。 不銹鋼的組織與分類不銹鋼的組織與分類 鐵素體形成元素：鐵素體形成元素：Cr、Mo、Si、Ti、Nb等；等； 奧氏體形成元素：奧氏體形成元素：C、N、Ni、Mn、Cu等。等。 鉻當(dāng)量鉻當(dāng)量Cr = Cr + 1.5Mo + 2.0Si + 1.5Ti +1.75Nb + 5.5Al + 5V+ 0.75W 鎳當(dāng)量

6、鎳當(dāng)量Ni = Ni +Co+ 0.5Mn + 30C+25N+0.3Cu 鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量的綜合作用結(jié)果決定不銹鋼的組鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量的綜合作用結(jié)果決定不銹鋼的組織織 組織狀態(tài)圖。組織狀態(tài)圖。 圖圖 不銹鋼組織狀態(tài)圖（焊后冷卻）不銹鋼組織狀態(tài)圖（焊后冷卻）不不銹銹鋼鋼分分類類 M不銹鋼不銹鋼： 12Cr13、20Cr13、30Cr13、40Cr13（1Crl34Crl3）等）等Crl3型，型， Crl7Ni2、9Cr18等等 F不銹鋼不銹鋼：如：如06Cr11Ti、10Cr17Mo、 008Cr27Mo等等 A不銹鋼不銹鋼：具有單相：具有單相A組織，如組織，如 06Cr19Ni10、06Cr18

7、Ni11Ti、 12Crl8Mn9Ni5N等等 A-F復(fù)相不銹鋼：如復(fù)相不銹鋼：如12Cr21Ni5Ti 沉淀硬化不銹鋼沉淀硬化不銹鋼1）.合金元素對(duì)不銹鋼合金元素對(duì)不銹鋼組織和性能的影響組織和性能的影響（一）合金元素對(duì)鈍化的影響（一）合金元素對(duì)鈍化的影響 鈍化鈍化：某些金屬在特定的環(huán)境下表面失去金屬：某些金屬在特定的環(huán)境下表面失去金屬活性，呈現(xiàn)與惰性金屬相似的特性活性，呈現(xiàn)與惰性金屬相似的特性 鈍化機(jī)制鈍化機(jī)制：金屬表面與周圍介質(zhì)生產(chǎn)一層極薄：金屬表面與周圍介質(zhì)生產(chǎn)一層極薄的氧化膜（鈍化膜），作為金屬與介質(zhì)之間的的氧化膜（鈍化膜），作為金屬與介質(zhì)之間的一個(gè)屏障，降低金屬的腐蝕一個(gè)屏障，降低金

8、屬的腐蝕 鈍化的作用鈍化的作用：使金屬在一定條件下，陽極反應(yīng)：使金屬在一定條件下，陽極反應(yīng)受阻，從而提高耐蝕性受阻，從而提高耐蝕性 常用的鈍化元素常用的鈍化元素：Cr，Al，Si，(Mo， Cu)影響不銹鋼組織和性能的因素影響不銹鋼組織和性能的因素 2） 合金元素對(duì)合金元素對(duì)Fe電極電位的影響電極電位的影響 一般講，金屬固溶體的電極電一般講，金屬固溶體的電極電位比化合物低，所以在腐蝕過位比化合物低，所以在腐蝕過程中，金屬固溶體作為陽極被程中，金屬固溶體作為陽極被優(yōu)先腐蝕。優(yōu)先腐蝕。1）提高）提高Fe基體的電極電位可提高基體的電極電位可提高耐蝕性耐蝕性2） Cr對(duì)對(duì)Fe基體的電極電位影響基體的電

9、極電位影響的的n/8規(guī)律規(guī)律（ Tammann定律）定律） Fe基固溶體的電極電位隨基固溶體的電極電位隨Cr含含量達(dá)到量達(dá)到Cr/Fe原子比的原子比的1/8,2/8,3/8n/8時(shí)，時(shí)，F(xiàn)e的電極的電極電位會(huì)發(fā)生跳躍式升高，腐蝕電位會(huì)發(fā)生跳躍式升高，腐蝕顯著減弱的現(xiàn)象。顯著減弱的現(xiàn)象。3） 合金元素對(duì)不銹鋼基體組織的影響合金元素對(duì)不銹鋼基體組織的影響 不銹鋼的基體組織是獲得所需力學(xué)性能和不銹鋼的基體組織是獲得所需力學(xué)性能和良好耐蝕性的保證，使鋼在室溫下得到單良好耐蝕性的保證，使鋼在室溫下得到單相組織（相組織（A，F(xiàn)），就可以），就可以減少微電池的數(shù)減少微電池的數(shù)量，量，提高耐蝕性。提高耐蝕性。

10、 合金元素影響：合金元素影響： 1) 一類是擴(kuò)大奧氏體形成元素：一類是擴(kuò)大奧氏體形成元素：C，N，Mn，Ni ,Cu等等 2) 一類是一類是F形成元素：形成元素：Cr，Si，Ti，Nb，Mo等等1）、）、 鉻元素的作用鉻元素的作用 Cr是決定鋼是決定鋼耐蝕性的主耐蝕性的主要元素要元素 固溶體電極電位固溶體電極電位表面形成致密氧化膜表面形成致密氧化膜不銹鋼中主要合金元素的作用不銹鋼中主要合金元素的作用碳的作用碳的作用C：C，強(qiáng)度，強(qiáng)度；冷變形性、焊接性冷變形性、焊接性、耐耐 蝕性；綜合因素蝕性；綜合因素 碳量應(yīng)盡可能地低碳量應(yīng)盡可能地低 Ni是奧氏體形成元素，是奧氏體形成元素，能能形成單相奧氏體

11、形成單相奧氏體；能適當(dāng)能適當(dāng)提高固溶體電極電位，提高耐蝕性提高固溶體電極電位，提高耐蝕性；Ni的作用的作用其它元素的影響其它元素的影響 鈦和鈮能鈦和鈮能形成穩(wěn)定碳化物，固定形成穩(wěn)定碳化物，固定C，使，使Cr固溶于基固溶于基體，從而體，從而防止晶界腐蝕防止晶界腐蝕 ; 鉬能鉬能不銹鋼鈍化能力不銹鋼鈍化能力，擴(kuò)大鈍化介質(zhì)范圍，擴(kuò)大鈍化介質(zhì)范圍，提高耐蝕性提高耐蝕性 腐蝕介質(zhì)對(duì)鋼耐蝕性的影響腐蝕介質(zhì)對(duì)鋼耐蝕性的影響金屬的金屬的耐蝕性耐蝕性 與介質(zhì)的種類、濃度、與介質(zhì)的種類、濃度、溫度和壓力等環(huán)境條件有溫度和壓力等環(huán)境條件有密切的關(guān)系密切的關(guān)系 必須根據(jù)工作介質(zhì)的特點(diǎn)來正確必須根據(jù)工作介質(zhì)的特點(diǎn)來正確

12、選擇使用不銹耐蝕鋼鋼種。選擇使用不銹耐蝕鋼鋼種。1.在大氣、水、水蒸氣等弱腐蝕介質(zhì)。在大氣、水、水蒸氣等弱腐蝕介質(zhì)。 13Cr 2.氧化性介質(zhì)，如硝酸。氧化性介質(zhì)，如硝酸。該介質(zhì)含氧量較高，該介質(zhì)含氧量較高， 容易在鋼表面形成鈍化膜。容易在鋼表面形成鈍化膜。 17Cr， Cr越高越好；越高越好；3.非氧化性酸，如稀硫酸、非氧化性酸，如稀硫酸、 HCl 。 介質(zhì)含氧量低，鈍化膜不易形成。介質(zhì)含氧量低，鈍化膜不易形成。 在在17Cr基礎(chǔ)基礎(chǔ) + Mo、Cu；4.強(qiáng)有機(jī)酸，在強(qiáng)有機(jī)酸，在Cr-Mn型不銹鋼基礎(chǔ)上，加入型不銹鋼基礎(chǔ)上，加入Mo、Cu；5.含有含有Cl- -離子的介質(zhì)，如海水離子的介質(zhì)，

13、如海水,Cl- -很小，有很大腐蝕性。很小，有很大腐蝕性。 奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼 不銹鋼中用量最大的一種，約占不銹鋼的不銹鋼中用量最大的一種，約占不銹鋼的2/3 優(yōu)點(diǎn)：較好的耐蝕性，冷加工成型性，可焊性優(yōu)點(diǎn)：較好的耐蝕性，冷加工成型性，可焊性 缺點(diǎn)：強(qiáng)度低，不能淬火強(qiáng)化，易受晶間腐蝕缺點(diǎn)：強(qiáng)度低，不能淬火強(qiáng)化，易受晶間腐蝕，應(yīng)力腐蝕，應(yīng)力腐蝕 分類（按化學(xué)成分分）：分類（按化學(xué)成分分）：CrNi，CrMnN，CrMnNiN奧氏體不銹鋼特點(diǎn)如下：奧氏體不銹鋼特點(diǎn)如下： 具有很高的耐腐蝕性；具有很高的耐腐蝕性； 塑性好，容易加工變形成各種形狀鋼材；塑性好，容易加工變形成各種形狀鋼材； 加熱時(shí)沒

14、有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，焊接性好；加熱時(shí)沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，焊接性好； 韌度和低溫韌度好，一般情況下沒有冷脆韌度和低溫韌度好，一般情況下沒有冷脆傾向，有一定的熱強(qiáng)性；傾向，有一定的熱強(qiáng)性； 不具有磁性；不具有磁性； 價(jià)格較貴，切削加工較困難，導(dǎo)熱性差。價(jià)格較貴，切削加工較困難，導(dǎo)熱性差。1 1） 奧氏體不銹鋼的成分和組織特點(diǎn)奧氏體不銹鋼的成分和組織特點(diǎn) 奧氏體不銹鋼的主要成分是奧氏體不銹鋼的主要成分是CrCr和和NiNi，18Cr18Cr和和8Ni8Ni的配合是世界各國(guó)奧氏體不銹鋼的典型成分。的配合是世界各國(guó)奧氏體不銹鋼的典型成分。Cr+Ni=18+8=26耐蝕電位接近耐蝕電位接近n/8定定律中律中n=

15、2的電位值的電位值具有良好鈍化性能具有良好鈍化性能單相奧氏體組織單相奧氏體組織 耐蝕性達(dá)到耐蝕性達(dá)到較高的水平較高的水平.Cr、Ni再再,更為優(yōu)良更為優(yōu)良 TiTi、NbNb: :穩(wěn)定穩(wěn)定K K，抗晶間腐蝕的能力；抗晶間腐蝕的能力； Mo:Mo: 不銹鋼鈍化作用，不銹鋼鈍化作用，點(diǎn)腐蝕傾向，點(diǎn)腐蝕傾向，鋼在有機(jī)酸中的耐蝕性；鋼在有機(jī)酸中的耐蝕性； Cu:Cu: 鋼在硫酸中的耐蝕性；鋼在硫酸中的耐蝕性； Si:Si: 鋼抗應(yīng)力腐蝕斷裂的能力。鋼抗應(yīng)力腐蝕斷裂的能力。 平衡態(tài)時(shí)為奧氏體平衡態(tài)時(shí)為奧氏體+ +鐵素體鐵素體+ +碳化物組織，碳化物組織，經(jīng)過固溶處理后獲得了單相奧氏體。經(jīng)過固溶處理后獲得

16、了單相奧氏體。 188不銹鋼組織不銹鋼組織 平衡組織：平衡組織： AFM23C6緩冷沿緩冷沿ES線析出碳化物線析出碳化物 緩冷至緩冷至SK線以下，還線以下，還要發(fā)生部分要發(fā)生部分相轉(zhuǎn)變?yōu)橄噢D(zhuǎn)變?yōu)橄嘞?奧氏體不銹鋼是經(jīng)淬火奧氏體不銹鋼是經(jīng)淬火熱處理得到：?jiǎn)我粺崽幚淼玫剑簡(jiǎn)我籄 加熱到加熱到ES線以上，碳線以上，碳化物溶于化物溶于A中，經(jīng)淬火中，經(jīng)淬火，高溫狀態(tài)的碳等元素，高溫狀態(tài)的碳等元素的過飽和固溶體保持到的過飽和固溶體保持到室溫，得到單一的奧氏室溫，得到單一的奧氏體組織體組織 奧氏體不銹鋼，在許多腐蝕奧氏體不銹鋼，在許多腐蝕環(huán)境中會(huì)發(fā)生晶間腐蝕，環(huán)境中會(huì)發(fā)生晶間腐蝕，晶間腐蝕晶間腐蝕是奧氏體

17、不銹鋼是奧氏體不銹鋼使用過程中最為普遍的破使用過程中最為普遍的破壞形式，也是其使用的主壞形式，也是其使用的主要缺點(diǎn)。這是由于晶界貧要缺點(diǎn)。這是由于晶界貧Cr造成的。造成的。 晶間腐蝕晶間腐蝕2） 奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕 圖圖 不銹鋼晶界腐蝕貧不銹鋼晶界腐蝕貧Cr區(qū)示意區(qū)示意敏敏化化處處理理 在在Cr-Ni奧氏體不銹鋼中，在奧氏體不銹鋼中，在450800的溫度范圍內(nèi)時(shí)效處理，可考的溫度范圍內(nèi)時(shí)效處理，可考察不銹鋼晶間腐蝕的敏感性。敏化處察不銹鋼晶間腐蝕的敏感性。敏化處理和敏感性的關(guān)系通常用理和敏感性的關(guān)系通常用TTS（Time-Temperature-Sensitivati

18、on）曲線來）曲線來表示，如下圖所示表示，如下圖所示. 敏化處理后，在金相組織上可看敏化處理后，在金相組織上可看到碳化物沿著晶界析出到碳化物沿著晶界析出. 曲線曲線1 1表示鋼開始產(chǎn)生晶間腐蝕，曲線表示鋼開始產(chǎn)生晶間腐蝕，曲線2 2是由于時(shí)間充分，是由于時(shí)間充分，晶間腐蝕傾向已不再出現(xiàn)，也就是產(chǎn)生晶間腐蝕現(xiàn)象結(jié)束線。晶間腐蝕傾向已不再出現(xiàn)，也就是產(chǎn)生晶間腐蝕現(xiàn)象結(jié)束線。曲線包圍的區(qū)域是產(chǎn)生晶間腐蝕的溫度、時(shí)間范圍。曲線包圍的區(qū)域是產(chǎn)生晶間腐蝕的溫度、時(shí)間范圍。 經(jīng)強(qiáng)經(jīng)強(qiáng)Ti、Nb合金化的不合金化的不銹鋼稱為穩(wěn)定性鋼銹鋼稱為穩(wěn)定性鋼. 這種鋼析出這種鋼析出K的溫度范圍的溫度范圍可分成兩個(gè)區(qū)域，如

19、圖可分成兩個(gè)區(qū)域，如圖 。 曲線曲線1表示析出表示析出M23C6型型K的富的富Cr區(qū)域，曲線區(qū)域，曲線3表示析表示析出出MC型型K的區(qū)域，曲線的區(qū)域，曲線2是是產(chǎn)生晶間腐蝕的區(qū)域。產(chǎn)生晶間腐蝕的區(qū)域。在僅有在僅有MCMC型型K K析出的區(qū)域，沒有晶間腐蝕傾向析出的區(qū)域，沒有晶間腐蝕傾向。 為防止為防止A A不銹鋼的晶間腐蝕，可采取以下措施：不銹鋼的晶間腐蝕，可采取以下措施：（1）降低鋼中的含）降低鋼中的含C量；量；（2）加入）加入Ti、Nb，析出特殊，析出特殊K，穩(wěn)定組織；，穩(wěn)定組織；（3）進(jìn)行）進(jìn)行10501100的固溶處理，保證的固溶處理，保證Cr含量；含量；（4）對(duì)非穩(wěn)定性）對(duì)非穩(wěn)定性A

20、不銹鋼進(jìn)行退火處理，使不銹鋼進(jìn)行退火處理，使A成成分均勻化分均勻化 ，消除貧，消除貧Cr區(qū)區(qū);（5）對(duì)穩(wěn)定性鋼，通過熱處理形成）對(duì)穩(wěn)定性鋼，通過熱處理形成Ti、Nb的特殊的特殊K，以穩(wěn)定固溶體中，以穩(wěn)定固溶體中Cr含量，保證含含量，保證含Cr量水平量水平.3.1.2 生物醫(yī)用不銹鋼生物醫(yī)用不銹鋼（一）分類、組成和性能（一）分類、組成和性能 最早用于植入材料的不銹鋼最早用于植入材料的不銹鋼是是18-818-8鋼，含鉻鋼，含鉻18%18%、鎳、鎳8%8%的鋼，即國(guó)際牌號(hào)的鋼，即國(guó)際牌號(hào)304304不銹鋼不銹鋼 引入引入MoMo，即，即316316不銹鋼，不銹鋼，MoMo能夠改善在電解質(zhì)溶液能夠改善

21、在電解質(zhì)溶液中的耐腐蝕性能。中的耐腐蝕性能。 20 20世紀(jì)世紀(jì)5050年代，年代，316316不銹鋼的不銹鋼的碳含量由碳含量由0.08%0.08%降低降低為為0.03%0.03%， 即即316L316L不銹鋼不銹鋼，進(jìn)一步提高了其在含進(jìn)一步提高了其在含ClCl- -溶液中的耐蝕性能，降低了材料致敏性溶液中的耐蝕性能，降低了材料致敏性。即使是牌號(hào)為即使是牌號(hào)為316L的不銹鋼在體內(nèi)的特定環(huán)境下（如的不銹鋼在體內(nèi)的特定環(huán)境下（如在高壓或缺氧區(qū)域）也會(huì)被腐蝕。它們適合做臨時(shí)裝在高壓或缺氧區(qū)域）也會(huì)被腐蝕。它們適合做臨時(shí)裝置，如骨折固定板、固定螺釘或銷子。置，如骨折固定板、固定螺釘或銷子。醫(yī)用不銹鋼

22、鋼種：醫(yī)用不銹鋼鋼種：18-8型（型（Cr-Ni型）（型）（304不銹鋼不銹鋼）牌號(hào)：牌號(hào)：00Cr18Ni10， 0Cr18Ni9，1Cr18Ni9，1Cr18Ni9Ti316不銹鋼：不銹鋼： 材料：材料：18Cr-12Ni-2.5Mo ，主要化學(xué)成分：主要化學(xué)成分：C0.08，Ni:10.0-14.0，Cr:16.0-18.5，Mo:2.0-3.0。 316L不銹鋼：不銹鋼：我國(guó)材料牌號(hào)：我國(guó)材料牌號(hào)：022Cr17Ni12Mo2 ，主要合金元素成分：主要合金元素成分：C0.03 ，Ni:12.0-15.0 ，Cr:16.0-18.0 ，Mo:2.0-3.0 （二）醫(yī)用不銹鋼的生物相容性特

23、點(diǎn)生物相容性特點(diǎn) 產(chǎn)生的腐蝕作用造成其長(zhǎng)期植入的穩(wěn)定性差，產(chǎn)生的腐蝕作用造成其長(zhǎng)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，因此力學(xué)密度和彈性模量與人體硬組織相距較大，因此力學(xué)相容性差。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結(jié)合等原因，應(yīng)用活性，難于和生物組織形成牢固結(jié)合等原因，應(yīng)用比例呈下降趨勢(shì)。比例呈下降趨勢(shì)。（三）臨床應(yīng)用 1)1)齒科：齒科：鑲牙、齒科矯形、牙根種植及輔助器件 2)2)人工關(guān)節(jié)和骨折內(nèi)固定器械：人工關(guān)節(jié)和骨折內(nèi)固定器械：人工肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、全髖關(guān)節(jié)、半髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝

24、關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)及指關(guān)節(jié)。各種規(guī)格的皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨加壓螺釘、脊椎釘、骨牽引鋼絲、人工椎體和顱骨板等， 3)3)心血管系統(tǒng)心血管系統(tǒng)：各種傳感器、植入電極的外殼和合金導(dǎo)線，可制作不銹鋼可制作不銹鋼的人工心臟瓣膜、血管內(nèi)擴(kuò)張支架等 3.2 Co基合金基合金鈷基合金是一種能耐各種類型磨損和腐蝕以及鈷基合金是一種能耐各種類型磨損和腐蝕以及高溫氧化的高溫氧化的硬質(zhì)合金 （1）分類、組成和性能常用Co-Cr合金，分為兩類：Co-Cr-Mo合金：一般通過鑄造加工一般通過鑄造加工，鑄造鑄造Co-Cr-Mo合金合金已經(jīng)在牙科方面應(yīng)用了近幾十年，目前主要用于制造人工已經(jīng)在牙科方面應(yīng)用了近幾十年，目前主要用于制造人工關(guān)

25、節(jié)連接件；關(guān)節(jié)連接件；Co-Ni-Cr-Mo合金合金：一般通過熱鍛加工一般通過熱鍛加工，鍛造鍛造Co-Ni-Cr-Mo合金主要用于制造關(guān)節(jié)替換假體連接件合金主要用于制造關(guān)節(jié)替換假體連接件的主干，承受重載荷，如膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)等。的主干，承受重載荷，如膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)等。 種類種類狀態(tài)狀態(tài)屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度(MPa)抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度(MPa)延伸率延伸率(%)疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度(MPa)鑄態(tài)5157259.0250CoCrMo固溶退火533114315.0280鍛造962150728.0897退火(ASTM)4506658.0退火35086260.0345CoCrWMo冷加工1310151012.058

26、6退火(ASTM)31086010.0CoNiCrMo固溶退火240655795100050.0冷加工時(shí)效158517908.0退火27560050.0CoNiCrMoWFe冷加工828100018.0退火(ISO)27660050.0 表3.2 典型鈷基合金性能Co基合金發(fā)展歷史 美國(guó)首先用Co基合金做牙科材料Vitallium (Co-27Cr-5Mo-0.5Ti)，在使用過程中這種合金不斷析出碳化物相而變脆。因此把合金的含碳量降至0.3，同時(shí)添加2.6的鎳，以提高碳化物形成元素在基體中的溶解度，這樣就發(fā)展成為CoNiCrMo合金。 （2）生物相容性 從從耐蝕性耐蝕性看，它也是所用醫(yī)用金屬

27、材料中最好的，看，它也是所用醫(yī)用金屬材料中最好的，一般認(rèn)為植入人體后一般認(rèn)為植入人體后沒有明顯的組織學(xué)反應(yīng)沒有明顯的組織學(xué)反應(yīng)。但用鑄造鈷。但用鑄造鈷基合金制作的人工髖關(guān)節(jié)在體內(nèi)會(huì)引起松動(dòng)，其原因是由基合金制作的人工髖關(guān)節(jié)在體內(nèi)會(huì)引起松動(dòng)，其原因是由于金屬于金屬磨損腐蝕磨損腐蝕造成造成CoCo、NiNi等離子溶出，在體內(nèi)引起巨細(xì)等離子溶出，在體內(nèi)引起巨細(xì)胞和組織壞死，從而導(dǎo)致患者疼痛以及關(guān)節(jié)的松動(dòng)、下沉。胞和組織壞死，從而導(dǎo)致患者疼痛以及關(guān)節(jié)的松動(dòng)、下沉。鈷、鎳、鉻還可以產(chǎn)生皮膚過敏反應(yīng)。鈷、鎳、鉻還可以產(chǎn)生皮膚過敏反應(yīng)。 （3）臨床應(yīng)用）臨床應(yīng)用 適合于制造體內(nèi)承載苛刻、耐蝕性要求較高的長(zhǎng)期

28、植適合于制造體內(nèi)承載苛刻、耐蝕性要求較高的長(zhǎng)期植入件，其品種主要有各類人工關(guān)節(jié)及整形外科植入器械。入件，其品種主要有各類人工關(guān)節(jié)及整形外科植入器械。在心臟外科、齒科等領(lǐng)域均有應(yīng)用。在心臟外科、齒科等領(lǐng)域均有應(yīng)用。 （4）鈷基合金植入器件的制造加工方法）鈷基合金植入器件的制造加工方法 三種：精密鑄造、機(jī)械變形加工和粉末冶金三種：精密鑄造、機(jī)械變形加工和粉末冶金3.3 鈦合金鈦合金（一）（一） 概述概述 鈦是目前已知的生物相容性最好生物相容性最好的金屬之一，鈦易與氧反應(yīng)形成致密氧化鈦(TiO2)鈍化膜，植入后引起的組織反應(yīng)輕微。凝膠狀態(tài)的TiO2膜甚至具有誘導(dǎo)體液中鈣、磷離子沉積生成磷灰石的能力，

29、表現(xiàn)出一定的生物活性和骨結(jié)合能力，尤其適合于骨內(nèi)埋植。 與不銹鋼及鈷基合金相比，鈦合金的彈性模量與人體骨最接近，引起的應(yīng)力遮擋效應(yīng)最小。鈦合金植入物材料的發(fā)展進(jìn)程鈦及其合金的發(fā)展可分為三個(gè)時(shí)代： 第一個(gè)時(shí)代以純鈦和純鈦和Ti6Al4V為代表； 第二個(gè)時(shí)代是以Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb為代表的新型鈦合金，去除V元素； 第三個(gè)時(shí)代則是一個(gè)開發(fā)與研制更好生物生物相容性和更低彈性模量相容性和更低彈性模量鈦合金的時(shí)代，其中以對(duì)型鈦合金型鈦合金的研究最為廣泛純鈦：純鈦：具有良好的抗腐蝕性能，但是強(qiáng)度較低，耐磨損性能較差，限制了它在承載較大部位的應(yīng)用，目前主要用于口腔修復(fù)及承載較小部位的

30、骨替換。Ti6Al4V： + 具有較高的強(qiáng)度和較好的加工性能，70年代后期被廣泛用作外科修復(fù)材料，如髖關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)等。 V被認(rèn)為是對(duì)生物體有毒的元素，其在生物體內(nèi)聚集在骨、肝、腎、脾等器官。毒性效應(yīng)與磷酸鹽的生化代謝有關(guān)，通過影響鈉、鉀、鈣等離子與ATP酶發(fā)生作用，毒性超過Ni和Cr。 Al元素對(duì)身體的危害是通過鋁鹽在體內(nèi)的蓄積而導(dǎo)致器官的損傷，另外Al元素還會(huì)引起骨軟化、貧血和神經(jīng)紊亂等癥狀。Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb 為了避免V元素的潛在毒性，80年代中期兩種新型+型醫(yī)用鈦合金Ti5Al2.5Fe和Ti6A7Nb在歐洲得到了發(fā)展 這類合金的力學(xué)性能與Ti6Al4V相近。

31、此類合金為骨彈性模量的4-10倍。型鈦合金 新型醫(yī)用型鈦合金的研制正在發(fā)展。 90年代初期，Ti-Mo系型鈦合金作為醫(yī)用材料得到了廣泛研究，如Ti-12Mo-6Zr-2Fe、Ti-15Mo-5Zr-3Al及Ti-15Mo-3Nb-0.3O(21SRx)。 這類合金具有更高的拉伸強(qiáng)度、斷裂韌性，更好的耐磨損性能以及更低的彈性模量。 這類合金的彈性模量雖然大大降低了，但仍為骨彈性模量的2-7倍，而且含有大量的Mo元素，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明Mo元素會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的組織反應(yīng)。 90年代初，Smith&Nephew Richards公司研制的Ti-13Nb-13Zr合金中加入了Nb和Zr生物相容性元素。 （

32、二）（二） 鈦合金性能鈦合金性能 1. 比強(qiáng)度高（低密度、高強(qiáng)度）；比強(qiáng)度高（低密度、高強(qiáng)度）； 2. 耐腐蝕性強(qiáng)（表面形成一層穩(wěn)定的氧化膜）；耐腐蝕性強(qiáng)（表面形成一層穩(wěn)定的氧化膜）； 3. 生物相容性好生物相容性好(能與骨和生命組織融合能與骨和生命組織融合)； 4. 彈性模量值?。s為其他金屬材料的一半，接近于彈性模量值?。s為其他金屬材料的一半，接近于天然骨）；天然骨）； 5. 無磁性（不受周圍磁場(chǎng)的影響）；無磁性（不受周圍磁場(chǎng)的影響）； 6. 易加工（能加工成各種產(chǎn)品）；易加工（能加工成各種產(chǎn)品）； Ti-6Al-4V：在眾多生物醫(yī)用級(jí)別鈦金屬中，：在眾多生物醫(yī)用級(jí)別鈦金屬中，Ti-6A

33、l-4V是是目前臨床應(yīng)用最廣泛的鈦合金。目前臨床應(yīng)用最廣泛的鈦合金。 性能ITi-6Al-4V抗拉強(qiáng)度/MPa240345450550860屈服強(qiáng)度/MPa170275380485795延伸率/%2420181510斷面收縮率/%3030302525Ti及及Ti合金的機(jī)械力學(xué)性能合金的機(jī)械力學(xué)性能 (IIV為純鈦為純鈦) 鈦及鈦合金的缺點(diǎn)是硬度較低，耐磨性差。鈦及鈦合金的缺點(diǎn)是硬度較低，耐磨性差。 為了改善鈦及鈦合金的耐磨性能，可將鈦制品表面進(jìn)行高溫離子氮化及應(yīng)用離子注入技術(shù)處理，通過引起晶格畸變，使制品表面呈壓力狀態(tài)，從而提高硬度和耐磨性。 離子氮化后的純鈦及鈦合金硬度分別提高7倍和2倍。純

34、鈦的磨損率降低到原來的1/2，鈦合金降低到原來的1/6；氮化后鈦材的年腐蝕率是非氮化的1/3。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明組織對(duì)表面滲氮鈦材反應(yīng)輕微，材料無毒性。 利用離子注入技術(shù)，可在鈦及合金表面注入氯離子，使其表面生成氮化鈦陶瓷涂層，大大提高鈦制品的耐磨，耐蝕性能，如TC4氮化前后，制品在模擬體液中的年腐蝕率降低至原來的1/3。 （三）臨床應(yīng)用（三）臨床應(yīng)用 鈦及鈦合金具有優(yōu)異的使用特性，被世界鈦及鈦合金具有優(yōu)異的使用特性，被世界公認(rèn)是生物醫(yī)療領(lǐng)域中優(yōu)異的金屬材料，采用鈦公認(rèn)是生物醫(yī)療領(lǐng)域中優(yōu)異的金屬材料，采用鈦及鈦合金制造的股骨頭、髖關(guān)節(jié)、肱骨、顱骨、及鈦合金制造的股骨頭、髖關(guān)節(jié)、肱骨、顱骨、膝關(guān)節(jié)、肘

35、關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、掌指關(guān)節(jié)、頜骨以及膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、掌指關(guān)節(jié)、頜骨以及心瓣膜、腎瓣膜、血管擴(kuò)張器、夾板、假體、緊心瓣膜、腎瓣膜、血管擴(kuò)張器、夾板、假體、緊固螺釘?shù)壬习俜N金屬件移植到人體中，取得了良固螺釘?shù)壬习俜N金屬件移植到人體中，取得了良好的效果，被醫(yī)學(xué)界給予了很高的評(píng)價(jià)。好的效果，被醫(yī)學(xué)界給予了很高的評(píng)價(jià)。 我國(guó)人造關(guān)節(jié)材料的發(fā)展：我國(guó)人造關(guān)節(jié)材料的發(fā)展：19591960年年，使用，使用不銹鋼不銹鋼制造的人造股骨制造的人造股骨頭頭1972年起年起，開始采用了國(guó)產(chǎn)，開始采用了國(guó)產(chǎn)鈦及鈦合金鈦及鈦合金制品，制品，在人體承受力小的地方換接骨可以使用純?cè)谌梭w承受力小的地方換接骨可以使用純鈦，在人

36、體下肢因?yàn)樨?fù)重大，關(guān)節(jié)活動(dòng)量鈦，在人體下肢因?yàn)樨?fù)重大，關(guān)節(jié)活動(dòng)量大，采用大，采用Ti-6Al-4V合金合金。世界各國(guó)的相關(guān)。世界各國(guó)的相關(guān)研究和大量的臨床治療實(shí)例，從深度和廣研究和大量的臨床治療實(shí)例，從深度和廣度上認(rèn)可度上認(rèn)可鈦及鈦合金是迄今為止最理想的鈦及鈦合金是迄今為止最理想的人體植入物金屬材料人體植入物金屬材料，被當(dāng)今醫(yī)療外科業(yè)被當(dāng)今醫(yī)療外科業(yè)列為繼不銹鋼、鈷基合金之后崛起的第三列為繼不銹鋼、鈷基合金之后崛起的第三代金屬。代金屬。 （四）鈦和鈦合金植入器件的制造 鈦是非常活躍的元素，在高溫有氧氣存在時(shí)甚至能燃燒，因此在高溫加工處理過程中，需在惰性氣氛或真空條件進(jìn)行。氧容易擴(kuò)散進(jìn)入鈦使材料

37、變脆，因此，任何加熱處理或鍛造都應(yīng)在低于925C的條件下進(jìn)行。由于鈦易磨損，在機(jī)械加工過程中易黏刀，使加工變得困難，可采用電化學(xué)加工方法解決這一問題。 3.4 其他合金3.4.1 Ni-Ti形狀記憶合金 Ni-Ti合金具有形狀記憶的特性，Ni-Ti合金在展現(xiàn)出奇特的形狀記憶效應(yīng)：當(dāng)溫度低于轉(zhuǎn)變溫度時(shí)進(jìn)行塑性變形，然后溫度一升高，它就會(huì)回復(fù)到原始形狀。 形狀記憶合金可用于拱形牙齒矯正、骨科整形、血管支架 等 。雙程記憶合金花是利用形狀記憶合金雙程記憶恢復(fù)特性制成的記憶合金花，開放溫度為6585，閉合溫度為室溫。形狀記憶合金相變過程馬氏體相變的主要特征 替換原子無擴(kuò)散（成分不改變，近鄰原子關(guān)系不改

38、變） 切變（母相和馬氏體之間呈位相關(guān)系） 形狀改變（拋光面顯示浮突）馬氏體相變與熱彈性馬氏體相變只有溫度改變或外加應(yīng)力的變化破壞了平衡，馬氏體才開始張大或縮小。好象馬氏體相變具有熱彈性，這樣馬氏體就稱為“熱彈性馬氏體”。不隨溫度或外加應(yīng)力變化長(zhǎng)大或縮小的馬氏體則叫做“非熱彈性馬氏體”.非熱彈性馬氏體相變特點(diǎn)：非熱彈性馬氏體相變特點(diǎn)： 相變時(shí)相變阻力高。相變時(shí)相變阻力高。 馬氏體轉(zhuǎn)變需要有很大的過冷度馬氏體轉(zhuǎn)變需要有很大的過冷度 產(chǎn)生大量晶體缺陷產(chǎn)生大量晶體缺陷 馬氏體逆轉(zhuǎn)變需要很大的過熱度馬氏體逆轉(zhuǎn)變需要很大的過熱度 加熱的過程中馬氏體將首先發(fā)生分解，難加熱的過程中馬氏體將首先發(fā)生分解，難以直

39、接逆轉(zhuǎn)變回母相以直接逆轉(zhuǎn)變回母相熱彈性馬氏體相變特點(diǎn)熱彈性馬氏體相變特點(diǎn)： 馬氏體轉(zhuǎn)變只需要很小的過冷度。 隨馬氏體形成、彈性應(yīng)變能增加，缺陷少、界面可動(dòng)，界面維持共格關(guān)系。 馬氏體逆轉(zhuǎn)變不需要大量過熱，由彈性能驅(qū)動(dòng)。 加熱的過程中馬氏體直接逆轉(zhuǎn)變回母相。相變?cè)诨瘜W(xué)驅(qū)動(dòng)力和彈性應(yīng)變能的動(dòng)態(tài)平衡下進(jìn)相變?cè)诨瘜W(xué)驅(qū)動(dòng)力和彈性應(yīng)變能的動(dòng)態(tài)平衡下進(jìn)行。冷卻時(shí)馬氏體長(zhǎng)大，加熱時(shí)馬氏體收縮，行。冷卻時(shí)馬氏體長(zhǎng)大，加熱時(shí)馬氏體收縮，其其長(zhǎng)大和縮小受熱效應(yīng)和彈性效應(yīng)兩因素平衡條件長(zhǎng)大和縮小受熱效應(yīng)和彈性效應(yīng)兩因素平衡條件的制約的制約。表現(xiàn)出表現(xiàn)出熱彈性熱彈性。形狀記憶效應(yīng)的基本原理形狀記憶效應(yīng)的基本原理 所謂形

40、狀記憶效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是指將完全或部分所謂形狀記憶效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是指將完全或部分M相變的試樣加熱到相變的試樣加熱到Af以上時(shí)，則其恢復(fù)到原來以上時(shí)，則其恢復(fù)到原來母相狀態(tài)所給予的形狀。其原因是：由于變形所母相狀態(tài)所給予的形狀。其原因是：由于變形所引起的組織上的變化，因可逆轉(zhuǎn)變而完全消除。引起的組織上的變化，因可逆轉(zhuǎn)變而完全消除。 變形方式如何對(duì)于形狀記憶效應(yīng)是很重要的，變形方式如何對(duì)于形狀記憶效應(yīng)是很重要的，在具有熱彈性在具有熱彈性M可逆轉(zhuǎn)變的合金中，可逆轉(zhuǎn)變的合金中，M內(nèi)部的變內(nèi)部的變形方式為形方式為孿生變形孿生變形，M和母相間的變形體現(xiàn)為和母相間的變形體現(xiàn)為M本身的長(zhǎng)大和收縮，即兩者均以界面移動(dòng)的方

41、式本身的長(zhǎng)大和收縮，即兩者均以界面移動(dòng)的方式發(fā)生變形，這種界面的移動(dòng)容易導(dǎo)致原來位向的發(fā)生變形，這種界面的移動(dòng)容易導(dǎo)致原來位向的完全恢復(fù)，而產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)。完全恢復(fù)，而產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)。記憶合金的超彈性記憶合金的超彈性 傳統(tǒng)合金的彈性是原子健的伸展； 形狀記憶合金的超彈性是晶體結(jié)構(gòu)的變化：由奧氏體變?yōu)轳R氏體。 此應(yīng)力誘發(fā)相變使材料的變形與被施加的應(yīng)力形成響應(yīng)，當(dāng)應(yīng)力去除時(shí)，合金回復(fù)到原始奧氏體狀態(tài)，變形消失，恢復(fù)原始形狀。 鈦金屬眼鏡架，特別輕，同一款式的眼鏡鈦金屬眼鏡架，特別輕，同一款式的眼鏡架，鈦架比傳統(tǒng)架輕一半。架，鈦架比傳統(tǒng)架輕一半。 鈦金屬架具有超彈性，永不變形的優(yōu)點(diǎn)可鈦金屬架具有

42、超彈性，永不變形的優(yōu)點(diǎn)可將兩鏡腿向兩側(cè)拉伸直以與鏡圈成一條線，都將兩鏡腿向兩側(cè)拉伸直以與鏡圈成一條線，都不會(huì)拉斷，鼻梁扭曲不會(huì)拉斷，鼻梁扭曲9090度也不會(huì)變形。度也不會(huì)變形。 鈦金屬架還有一個(gè)特點(diǎn)是：它化學(xué)穩(wěn)定性鈦金屬架還有一個(gè)特點(diǎn)是：它化學(xué)穩(wěn)定性好，非常耐腐蝕。不易被污水浸蝕，也不會(huì)引好，非常耐腐蝕。不易被污水浸蝕，也不會(huì)引起皮膚過敏，起皮膚過敏， 眼鏡新寵眼鏡新寵鈦金架鈦金架 NiTi合金醫(yī)學(xué)應(yīng)用： 管腔狹窄的治療（喉氣管狹窄、食管狹窄、膽道狹窄、尿道狹窄及閉鎖等）：支架安入管腔狹窄的部位后，能將狹窄管腔撐開，并與管壁相貼緊，固定好；其生物相容性好，長(zhǎng)期安放對(duì)黏膜無明顯損傷；其高回彈性能

43、順應(yīng)管道的彎曲，對(duì)人體刺激小。 口腔科：用這種材料做成的種植牙具有齒槽骨切口小，固定牢靠等優(yōu)點(diǎn)。 骨科：人工關(guān)節(jié)，斷骨連接、彎曲脊柱矯正。 血管外科：治療主動(dòng)脈瘤、冠狀動(dòng)脈和椎動(dòng)脈狹窄等。 科學(xué)家還用記憶合金做科學(xué)家還用記憶合金做成食道支架，對(duì)失去進(jìn)成食道支架，對(duì)失去進(jìn)食功能的食道癌患者來食功能的食道癌患者來說，說，“記憶金屬記憶金屬”食道食道架能在喉部膨脹成新的架能在喉部膨脹成新的食道，必要時(shí)只要向食食道，必要時(shí)只要向食道里加上冰塊，道里加上冰塊，“食道食道”又會(huì)遇冷收縮，從而可又會(huì)遇冷收縮，從而可輕易取出。輕易取出。人造食道人造食道 3.4 .2 齒科用金屬齒科用金屬 1) 齒科汞齊汞齊是

44、一種含有汞金屬成分的合金 。汞在室溫下是液態(tài)，它能與其他金屬反應(yīng)，如銀、錫等，形成一種塑性物質(zhì)，將其填入齲洞中，汞齊隨著時(shí)間推移發(fā)生硬化(凝固)。 固態(tài)合金的成分是：至少65%的銀，不超過29%的錫，6%的銅，2%的鋅和3%的汞。牙醫(yī)在填補(bǔ)齲洞時(shí)，一般先在機(jī)械研磨器中將微粒狀的固態(tài)合金和汞混合，材料變得容易變形，方便操作，然后填充進(jìn)準(zhǔn)備好的齲洞中。 2) 金 金和金合金的耐久性、穩(wěn)定性和抗蝕性，使它們?cè)谘揽粕铣蔀楹苡杏玫慕饘?。 若合金含有75%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))或更多的金和其他貴金屬，它們就能保留其良好的抗蝕性。銅與金形成的合金可顯著提高其強(qiáng)度，鉑也能改善其強(qiáng)度，但添加量不能超過4%，否則合金的熔

45、點(diǎn)會(huì)提高。銀的加入可抵消銅的顏色。加入少量的鋅可降低其熔點(diǎn)，并排除在熔化過程中形成的氧。含金量超過83%的合金較軟，用于鑲嵌，但其硬度太低而不能承受太高的壓力。金含量少的較硬合金，用于牙冠和尖端處，可承受較大的壓力。 3.4.3 醫(yī)用鉭 鉭是化學(xué)活性很高的金屬，在生理或其它環(huán)境中，甚至在缺氧的狀態(tài)下，其表面都能立即生成一層化學(xué)性能穩(wěn)定的鈍化膜，從而使鉭具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗生理腐蝕性，并具有良好的生物相容性。鉭植入骨內(nèi)能與周圍生成的新骨直接接觸。最近有研究表面，多孔金屬鉭在其表面進(jìn)行生物活化處理后，植入動(dòng)物體內(nèi)，孔內(nèi)有新骨生成，即具有誘導(dǎo)成骨性。這表明金屬鉭具有優(yōu)良的生物學(xué)性能19。 鉭可加

46、工成板、帶、絲材，用于制造骨板、骨釘、夾板、縫合針等外科植入器械。臨床上，鉭片刻用于修補(bǔ)顱蓋，鉭絲可縫合神經(jīng)、肌腱和血管，鉭板可用于修補(bǔ)骨缺損，鉭網(wǎng)可用于修補(bǔ)肌肉組織。此外，在血管金屬支架表面鍍一層鉭，能明顯提高血管支架的抗血栓性能。通過制造工藝控制和冷加工處理，鉭也可以用作承力部位的修復(fù)。 3.4.4醫(yī)用鉑 鉑是一種銀白色金屬，俗稱白金。晶體結(jié)構(gòu)為面心立方。鉑具有高熔點(diǎn)、高沸點(diǎn)和低蒸氣壓的特點(diǎn)，鉑的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。鉑的主要物理性能為：密度21.45g/cm2 (20C)，熔點(diǎn)1769C，電阻率9.85cm (0C)9。 常見的鉑合金有鉑銥合金、鉑金合金和鉑銀合金，它們均具有極好的抗蝕性能和物理

47、化學(xué)穩(wěn)定性。用鉑及其合金制造的微探針廣泛用于人體神經(jīng)系統(tǒng)的各種植入性檢測(cè)和修復(fù)用電子裝置，心臟起搏器等。鉑及其合金的力學(xué)性能較差及其成本較高，限制了其在醫(yī)學(xué)上的推廣應(yīng)用 。 3.4.5 醫(yī)用鈮鈮為難熔金屬，熔點(diǎn)為2467C，其晶體結(jié)構(gòu)為體心立方晶體。純鈮的密度為8.5g/cm3。鈮和鉭的化學(xué)性質(zhì)很相似，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性能。鈮對(duì)很多腐蝕介質(zhì)在冷態(tài)或稍熱的條件下不起反應(yīng)，金屬鈮在空氣中只在溫度高于200C時(shí)才明顯氧化。鈮和Cl、H、N分別在200C、250C、400C時(shí)才發(fā)生反應(yīng)。 鈮的力學(xué)性能見表3-6。鈮可通過鍛造、軋制或拉拔等工序加工成棒、板、管、絲和異性材等。鈮容易磨損和黏結(jié)

48、刀具，切削加工時(shí)宜采用油水乳化液冷卻，以保持刀具刃部的鋒利性。醫(yī)用鈮一般采用高純鈮，鈮在醫(yī)學(xué)方面與鉭類似，如制髓內(nèi)釘?shù)?。由于其來源和?jīng)濟(jì)原因，醫(yī)用鈮的用途受到很大的限制。性能完全退火冷加工拉伸強(qiáng)度/MPa2753001000顯微硬度/MPa6001100275延伸率/%-1025表 3-6 鈮的機(jī)械力學(xué)性能(ASTM,F560)材料材料彈性模彈性模量量(GP)(GP)拉伸強(qiáng)拉伸強(qiáng)度度(MP)(MP)可恢復(fù)可恢復(fù)形變（形變（% %）延伸延伸率率(%)(%)壓縮強(qiáng)壓縮強(qiáng)度度(MP)(MP)疲勞極疲勞極限限(MP)(MP)硬度硬度NiTiNiTi8080112011208 8202055855865

49、6568RA68RA316L316L（退火（退火) )17617696965525520.80.85050550550343343170170220HV220HVTi6Al4VTi6Al4V1101109009001212900900170170240240TaTa18018034341251251 14040CoCrCoCr（鍛造）（鍛造）2132132482486506506906908 8240240280280300HV300HV牙釉質(zhì)牙釉質(zhì)505070700 0265265牙本質(zhì)牙本質(zhì)141440400 0145145皮質(zhì)骨皮質(zhì)1130130 幾種常見生物醫(yī)

50、用金屬材料的力學(xué)性能對(duì)照幾種常見生物醫(yī)用金屬材料的力學(xué)性能對(duì)照4. 金屬植入物遭遇的問題 (1)在承受荷重的部位主要面在承受荷重的部位主要面臨臨磨磨損損的問題，的問題，在在不不承受荷重的部位則主要面承受荷重的部位則主要面臨臨腐腐蝕蝕的問的問題題。腐腐蝕蝕和和磨磨損損是金是金屬生物屬生物材料在人材料在人體復(fù)體復(fù)雜雜的的環(huán)環(huán)境中所境中所面臨的面臨的主要主要兩兩大問大問題。題。金屬植入物遭遇的問題 以以全人工全人工髖關(guān)節(jié)髖關(guān)節(jié)為例為例，目前骨，目前骨干干的材料以的材料以 Co-CrCo-Cr合金和合金和Ti-6Al-4VTi-6Al-4V合金為主。股骨合金為主。股骨頭頭 以磨以磨損損性性質(zhì)較質(zhì)較佳的

51、佳的Co-CrCo-Cr合金為主。超高分合金為主。超高分 子量子量聚聚乙烯用乙烯用于髖于髖臼杯的部位，臼杯的部位，減減少少與與金金 屬間屬間的磨的磨損損和和應(yīng)應(yīng)力力 人工全髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)人工全髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)人工髖關(guān)節(jié)假體仿照人體髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，將假體柄部插入股骨髓腔內(nèi)，利用頭部與關(guān)節(jié)臼或假體金屬杯形成旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)股骨的曲伸和運(yùn)動(dòng)。 人工髖關(guān)節(jié)包括股骨柄、骨股頭、髖臼和聚乙烯襯。股骨體柄、股骨頭、髖臼采用鈦合金、鈷鉻鉬合金、不銹鋼制造，髖臼襯采用超高分子聚乙烯制造。 不同金屬材料的髖關(guān)節(jié)的壽命分別為： a.鈦合金：使用壽命為1015年；b.鈷鉻鉬合金：使用壽命為1015年；c.超低碳不銹鋼材料：使用壽命

52、為46年。 人工股骨人工股骨頭與頭與人工人工髖髖臼杯摩擦臼杯摩擦產(chǎn)產(chǎn)生的磨屑，生的磨屑，會(huì)會(huì)引引發(fā)髖關(guān)節(jié)發(fā)髖關(guān)節(jié)附近附近組織組織和和細(xì)細(xì)胞反胞反應(yīng)應(yīng)，造造成手成手術(shù)術(shù)失失敗敗。人工。人工髖關(guān)節(jié)髖關(guān)節(jié)內(nèi)聚乙烯的磨內(nèi)聚乙烯的磨損損程度，程度，被被認(rèn)為認(rèn)為是造成骨是造成骨質(zhì)質(zhì)溶解的溶解的誘誘因之一，磨因之一，磨損損所所產(chǎn)產(chǎn)生的微小顆粒生的微小顆粒應(yīng)應(yīng)是造成失是造成失敗敗的重要原因的重要原因。 人工股骨人工股骨頭與頭與人工人工髖髖臼杯摩擦臼杯摩擦產(chǎn)產(chǎn)生生磨損碎磨損碎 屑屑磨磨損損碎屑碎屑與細(xì)與細(xì)胞膜接胞膜接觸觸造成造成發(fā)炎細(xì)發(fā)炎細(xì)胞胞與蝕與蝕骨物骨物質(zhì)增質(zhì)增加加細(xì)細(xì)胞間胞間質(zhì)質(zhì)不易形成，骨的不易形成，

53、骨的重建被破重建被破壞壞促促進(jìn)進(jìn)骨的吸收骨的吸收與與分解分解人工人工髖髖關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)與骨之間的骨之間的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)不良不良導(dǎo)導(dǎo)致人工全致人工全髖關(guān)髖關(guān)節(jié)節(jié)的的松松脫脫與與失失敗。敗。 不不銹鋼銹鋼因其因其抗蝕性抗蝕性低低于于Co-CrCo-Cr合金和合金和TiTi合合 金，金，適合適合作作暫時(shí)暫時(shí)性植入材料如骨板、骨性植入材料如骨板、骨 釘、骨螺絲等。釘、骨螺絲等。純鈦純鈦和金因和金因機(jī)械性能較低機(jī)械性能較低，無法無法承受大量荷重，故多承受大量荷重，故多為為牙科用牙科用。 Co-CrCo-Cr合金在合金在人體中人體中是是鈍化狀態(tài)鈍化狀態(tài)，但是所，但是所釋釋放放出的出的CoCo和和CrCr離子會(huì)離子會(huì)引起植入物附近骨引起植入物附近骨質(zhì)質(zhì)溶解溶解。 CoCo離離子可能造成子可能造成甲狀腺機(jī)能減退甲狀腺機(jī)能減退、紅血球、紅血球 國(guó)國(guó)多癥和心肌病多癥和心肌病。 鈦鈦是一活性金是一活性金屬屬，可是，可是能形成堅(jiān)固能形成堅(jiān)固的的TiO2TiO2鈍鈍化層化層使使鈦鈦合金在生理情況下仍能合金在生理情況下仍能維持鈍化狀維持鈍化狀態(tài)，使鈦態(tài)，使鈦合金具有合金具有優(yōu)優(yōu)良的良的抗蝕性抗蝕性，僅僅在某些在某些特殊特殊環(huán)環(huán)境下，如