《功能材料》課件：第五章-生物醫(yī)用材料一

1、北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)金屬功能材料金屬功能材料李李 巖巖北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2014年春季學(xué)期年春季學(xué)期北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)第五章第五章 生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用材料( (一一) )生物醫(yī)用金屬生物醫(yī)用金屬北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)主要內(nèi)容主要內(nèi)容一一概述概述二二不銹鋼不銹鋼三三鈷基合金鈷基合金四四鈦合金鈦合金北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)一、概述一、概述北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)醫(yī)用金屬材料醫(yī)用金屬材料不銹鋼手術(shù)刀柄不銹鋼手術(shù)刀柄 北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)醫(yī)用陶瓷材料醫(yī)用陶瓷材料全瓷牙全瓷牙北京航空航天大

2、學(xué)北京航空航天大學(xué)醫(yī)用高分子材料醫(yī)用高分子材料隱形眼鏡隱形眼鏡北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料金屬烤瓷牙金屬烤瓷牙北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)生物醫(yī)用材料的概念生物醫(yī)用材料的概念生物醫(yī)用材料（生物醫(yī)用材料（Biomedical Materials）生物材料（生物材料（Biomaterials）n 對生物體進(jìn)行對生物體進(jìn)行診斷、治療診斷、治療和和置換置換損壞的組織、器官或損壞的組織、器官或增進(jìn)增進(jìn)其功能其功能的材料。的材料。 它可以是人造的，也可以是天然的或者是它們相結(jié)合的功它可以是人造的，也可以是天然的或者是它們相結(jié)合的功能材料。能材料。北京航空航天大學(xué)北京

3、航空航天大學(xué)醫(yī)用金屬材料醫(yī)用金屬材料醫(yī)用高分子材料醫(yī)用高分子材料生物陶瓷材料生物陶瓷材料生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料按材料組成和按材料組成和性質(zhì)性質(zhì)近惰性生物醫(yī)學(xué)材料近惰性生物醫(yī)學(xué)材料生物活性醫(yī)學(xué)材料生物活性醫(yī)學(xué)材料可生物降解和吸收材料可生物降解和吸收材料按材料在生理按材料在生理環(huán)境中的生物環(huán)境中的生物化學(xué)反應(yīng)水平化學(xué)反應(yīng)水平生物醫(yī)用材料的分類生物醫(yī)用材料的分類北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)發(fā)展歷史發(fā)展歷史公元前公元前5000年：古代人就嘗試用黃金修復(fù)失牙；年：古代人就嘗試用黃金修復(fù)失牙；公元前公元前2500年：出現(xiàn)了假手，假鼻，假耳等人工假體年：出現(xiàn)了假手，假鼻，假耳等人工假體20世紀(jì)

4、世紀(jì)30年代：工業(yè)生產(chǎn)醫(yī)用材料年代：工業(yè)生產(chǎn)醫(yī)用材料20世紀(jì)中后期：高分子工業(yè)推動生物醫(yī)用材料的發(fā)展世紀(jì)中后期：高分子工業(yè)推動生物醫(yī)用材料的發(fā)展20世紀(jì)世紀(jì)80年代后期：材料科學(xué)與現(xiàn)代生物技術(shù)相結(jié)合年代后期：材料科學(xué)與現(xiàn)代生物技術(shù)相結(jié)合 發(fā)展可降解生物材料發(fā)展可降解生物材料生物醫(yī)用材料的發(fā)展生物醫(yī)用材料的發(fā)展北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)生物醫(yī)學(xué)材料與生物系統(tǒng)直接結(jié)合，會產(chǎn)生兩種反應(yīng)：生物醫(yī)學(xué)材料與生物系統(tǒng)直接結(jié)合，會產(chǎn)生兩種反應(yīng)：1 1、材料反應(yīng)：、材料反應(yīng)：活體系統(tǒng)對材料的作用稱為材料反應(yīng)，即材料在生物活體系統(tǒng)對材料的作用稱為材料反應(yīng)，即材料在生物活體中的響應(yīng)，主要是指材料在生理環(huán)境中被

5、活體中的響應(yīng)，主要是指材料在生理環(huán)境中被腐蝕、腐蝕、吸收、降解、磨損、失效吸收、降解、磨損、失效等，從而使材料的功能特性等，從而使材料的功能特性發(fā)生改變，理化性質(zhì)發(fā)生退變，最后導(dǎo)致材料失效。發(fā)生改變，理化性質(zhì)發(fā)生退變，最后導(dǎo)致材料失效。生物醫(yī)用材料的特點(diǎn)生物醫(yī)用材料的特點(diǎn)北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)兩種反應(yīng)的結(jié)果可能導(dǎo)致機(jī)體的中毒和機(jī)體對兩種反應(yīng)的結(jié)果可能導(dǎo)致機(jī)體的中毒和機(jī)體對材料的排斥材料的排斥2、宿主反應(yīng)：、宿主反應(yīng)：材料對活體系統(tǒng)的作用成為宿主反應(yīng)。材料對活體系統(tǒng)的作用成為宿主反應(yīng)。 通常是由于材料中的元素、分子或其它降解產(chǎn)物在生通常是由于材料中的元素、分子或其它降解產(chǎn)物在生理環(huán)境下

6、被釋放而進(jìn)入鄰近的生物組織和整個活體系統(tǒng)，理環(huán)境下被釋放而進(jìn)入鄰近的生物組織和整個活體系統(tǒng)，也可能是源于材料制品對組織的機(jī)械、電化學(xué)或其它刺激也可能是源于材料制品對組織的機(jī)械、電化學(xué)或其它刺激作用。作用。u可能發(fā)生的宿主反應(yīng)包括可能發(fā)生的宿主反應(yīng)包括:局部反應(yīng)、全身毒性反應(yīng)、局部反應(yīng)、全身毒性反應(yīng)、過敏反應(yīng)、致畸、致癌、致突反應(yīng)和適應(yīng)性反應(yīng)。過敏反應(yīng)、致畸、致癌、致突反應(yīng)和適應(yīng)性反應(yīng)。生物醫(yī)用材料的特點(diǎn)生物醫(yī)用材料的特點(diǎn)北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)生物醫(yī)學(xué)材料應(yīng)滿足以下基本條件：生物醫(yī)學(xué)材料應(yīng)滿足以下基本條件： 生物醫(yī)用材料的特點(diǎn)生物醫(yī)用材料的特點(diǎn)1 1、生物相容性、生物相容性 對人體無毒

7、、無刺激、無對人體無毒、無刺激、無致畸、致敏、致突變或致致畸、致敏、致突變或致癌作用；癌作用； 在體內(nèi)不被排斥，無炎癥，在體內(nèi)不被排斥，無炎癥，具有生物活性；具有生物活性； 無溶血，凝血反應(yīng)等。無溶血，凝血反應(yīng)等。 生物相容性是生物醫(yī)學(xué)材生物相容性是生物醫(yī)學(xué)材料區(qū)別于其它功能材料的料區(qū)別于其它功能材料的最重要的特征。最重要的特征。2、 化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性 耐體液侵蝕、不產(chǎn)生有耐體液侵蝕、不產(chǎn)生有害降解物；害降解物； 不產(chǎn)生吸水膨潤，軟化不產(chǎn)生吸水膨潤，軟化變質(zhì)；變質(zhì)； 自身不變化等。自身不變化等。北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)生物醫(yī)用材料的特點(diǎn)生物醫(yī)用材料的特點(diǎn)3、力學(xué)條件、力學(xué)條件 具有

8、足夠的靜態(tài)強(qiáng)度具有足夠的靜態(tài)強(qiáng)度(如抗如抗彎、抗壓、拉伸、剪切等彎、抗壓、拉伸、剪切等)； 具有適當(dāng)?shù)膹椥阅Ａ亢陀簿哂羞m當(dāng)?shù)膹椥阅Ａ亢陀捕榷? 具有耐疲勞、抗磨損、摩具有耐疲勞、抗磨損、摩擦、潤滑性能等。擦、潤滑性能等。生物醫(yī)學(xué)材料應(yīng)滿足以下基本條件：生物醫(yī)學(xué)材料應(yīng)滿足以下基本條件：4、其它要求其它要求 良好的空隙度，體液及軟良好的空隙度，體液及軟硬組織易于長入；硬組織易于長入； 易加工成形，使用操作方易加工成形，使用操作方便便; 熱穩(wěn)定性好，高溫消毒不熱穩(wěn)定性好，高溫消毒不變質(zhì)等性能。變質(zhì)等性能。北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)生物相容性血液相容性血液相容性抗血小板血栓形成抗血小板血栓形成抗

9、凝血性抗凝血性抗溶血性抗溶血性抗白細(xì)胞減少性抗白細(xì)胞減少性抗補(bǔ)體系統(tǒng)亢進(jìn)性抗補(bǔ)體系統(tǒng)亢進(jìn)性抗血漿蛋白吸附性抗血漿蛋白吸附性抗細(xì)胞因子吸附性抗細(xì)胞因子吸附性組織相容性組織相容性細(xì)胞黏附性細(xì)胞黏附性無抑制細(xì)胞生長性無抑制細(xì)胞生長性細(xì)胞激活性細(xì)胞激活性抗細(xì)胞原生質(zhì)轉(zhuǎn)化性抗細(xì)胞原生質(zhì)轉(zhuǎn)化性抗炎癥性抗炎癥性無抗原性無抗原性無誘變性無誘變性無致癌性無致癌性無致畸性無致畸性生物相容性生物相容性北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)生物醫(yī)用金屬材料生物醫(yī)用金屬材料 金屬作為醫(yī)學(xué)材料歷史悠久金屬作為醫(yī)學(xué)材料歷史悠久20世紀(jì)以來世紀(jì)以來 1920年代：不銹鋼作為治療骨折用的材料開始臨床應(yīng)用。年代：不銹鋼作為治療骨折用的

10、材料開始臨床應(yīng)用。 之后：鈷鉻合金作為牙科用材料得到發(fā)展；之后：鈷鉻合金作為牙科用材料得到發(fā)展； 1950年代：鈦被首次引入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域；年代：鈦被首次引入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域；60年代：更廣泛的研年代：更廣泛的研究證實(shí)，鈦沒有副作用；究證實(shí)，鈦沒有副作用； 1980年代：年代：NiTi合金在醫(yī)學(xué)上得到應(yīng)用。合金在醫(yī)學(xué)上得到應(yīng)用。 1990年代末：可降解年代末：可降解Mg合金開始成為研究熱點(diǎn)合金開始成為研究熱點(diǎn)北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)生物醫(yī)用金屬材料生物醫(yī)用金屬材料主要的生物醫(yī)用金屬材料主要的生物醫(yī)用金屬材料1.不銹鋼（不銹鋼（Stainless steel）2.鈷基合金（鈷基合金（Cobalt-ba

11、sed alloys）3.鈦及其合金（鈦及其合金（Ti and Ti alloys）4.鎳鈦合金（鎳鈦合金（NiTi）5.貴金屬（貴金屬（noble metal）6.鎂合金（鎂合金（Mg and Mg alloys）北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)生物醫(yī)用金屬材料生物醫(yī)用金屬材料 生物醫(yī)用金屬材料需要注意的三個方面：生物醫(yī)用金屬材料需要注意的三個方面：1. 生物相容性：生物相容性：2. 耐腐蝕性：耐腐蝕性：3. 力學(xué)性能力學(xué)性能北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)生物醫(yī)用金屬材料生物醫(yī)用金屬材料 金屬元素與人體金屬元素與人體金屬元素金屬元素正常狀態(tài)正常狀態(tài)性性 質(zhì)質(zhì)Fe45g全身全身存在于紅細(xì)胞中

12、。存在于紅細(xì)胞中。Co維生素維生素B12組成元素組成元素純純Co對骨組織有毒，高劑量致癌對骨組織有毒，高劑量致癌Cr2.8 g/100g血液血液有毒、影響細(xì)胞活性、削弱有毒、影響細(xì)胞活性、削弱DNA合成六價(jià)合成六價(jià)Cr致癌致癌Mn1020mg全身全身細(xì)胞中必要元素細(xì)胞中必要元素Mo13ppm肝臟肝臟對特定酶是必須的。高劑量有毒對特定酶是必須的。高劑量有毒Ni20mg/L-血液血液對有限的生物活性是必須的，高劑量有毒可能致癌對有限的生物活性是必須的，高劑量有毒可能致癌Ag在人體中非惰性，抑制和殺菌作用強(qiáng)在人體中非惰性，抑制和殺菌作用強(qiáng)Ti無正常功能，不致癌無正常功能，不致癌Al導(dǎo)致骨質(zhì)疏松和神經(jīng)

13、紊亂導(dǎo)致骨質(zhì)疏松和神經(jīng)紊亂V有毒有毒北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)生物醫(yī)用金屬材料生物醫(yī)用金屬材料一些金屬材料的標(biāo)準(zhǔn)電勢一些金屬材料的標(biāo)準(zhǔn)電勢 金屬元素的耐腐蝕性能金屬元素的耐腐蝕性能金屬金屬離子金屬金屬離子標(biāo)準(zhǔn)電勢（標(biāo)準(zhǔn)電勢（V）金屬金屬離子金屬金屬離子標(biāo)準(zhǔn)電勢（標(biāo)準(zhǔn)電勢（V）Au Au +1.68Ni Ni 2+-0.25PtPt2+1.2Co Co 2+ -0.28Pd Pd 2+0.99Fe Fe 2+ -0.44Ag Ag+0.8Cr Cr 2+ -0.74Cu Cu2+0.34Al Al 3+ -1.66H H+0Ti Ti 3+ -2.00Mg Mg 2+ -2.36北京航空航

14、天大學(xué)北京航空航天大學(xué)生物醫(yī)用金屬材料生物醫(yī)用金屬材料 常用植入物的力學(xué)性能常用植入物的力學(xué)性能北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)二二醫(yī)用不銹鋼醫(yī)用不銹鋼北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)不銹鋼不銹鋼不銹鋼按其不銹鋼按其顯微組織的特顯微組織的特點(diǎn)可分為點(diǎn)可分為馬氏體不銹鋼（馬氏體不銹鋼（耐蝕性最差耐蝕性最差）奧氏體不銹鋼（奧氏體不銹鋼（耐蝕性最好耐蝕性最好）鐵素體不銹鋼鐵素體不銹鋼雙相（奧氏體雙相（奧氏體-鐵素體）不銹鋼鐵素體）不銹鋼沉淀硬化型不銹鋼沉淀硬化型不銹鋼不銹鋼：不銹鋼：1、含鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為、含鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%以上，具有耐蝕性能的鐵基合金。以上，具有耐蝕性能的鐵基合金。2、具有抵抗大氣、

15、酸、堿、鹽等腐蝕作用的合金鋼的總稱。、具有抵抗大氣、酸、堿、鹽等腐蝕作用的合金鋼的總稱。北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)不銹鋼鐵素體和馬氏體不銹鋼不銹鋼鐵素體和馬氏體不銹鋼鐵素體不銹鋼特點(diǎn)：鐵素體不銹鋼特點(diǎn)：硬度高、脆性大、韌性低、鐵磁性、耐鹽類侵蝕差硬度高、脆性大、韌性低、鐵磁性、耐鹽類侵蝕差馬氏體不銹鋼特點(diǎn)：馬氏體不銹鋼特點(diǎn)：是最硬的鋼類，延展性和韌性低。是最硬的鋼類，延展性和韌性低。 植入材料只有具備了適當(dāng)?shù)难诱剐?、韌性才能與生植入材料只有具備了適當(dāng)?shù)难诱剐浴㈨g性才能與生物體相匹配。物體相匹配。鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼不適合植入不適合植入適合做醫(yī)療器械：如刀、

16、剪、制血鉗、針頭等的材適合做醫(yī)療器械：如刀、剪、制血鉗、針頭等的材料主要是料主要是3Cr13和和4Cr13。北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)不銹鋼合金元素不銹鋼合金元素Cr+ O2 Cr2O3Cr不銹鋼不銹鋼O2不銹鋼不銹鋼Cr2O3O2鉻對不銹鋼耐蝕性和抗氧化性能的影響鉻對不銹鋼耐蝕性和抗氧化性能的影響u鉻是目前使鋼鈍化并賦予良好耐蝕性和不銹性的唯一有鉻是目前使鋼鈍化并賦予良好耐蝕性和不銹性的唯一有使用價(jià)值的元素。隨著鋼中鉻含量的增加，耐腐蝕性能提使用價(jià)值的元素。隨著鋼中鉻含量的增加，耐腐蝕性能提高，引起耐蝕性突變的鉻含量約高，引起耐蝕性突變的鉻含量約12%。鉻很容易與氧氣反應(yīng)形成致密、均勻

17、、破壞后可以自修復(fù)鉻很容易與氧氣反應(yīng)形成致密、均勻、破壞后可以自修復(fù)的氧化鉻膜，阻止外部粒子例如的氧化鉻膜，阻止外部粒子例如O2，Cl-對不銹鋼基體的進(jìn)對不銹鋼基體的進(jìn)一步腐蝕，阻止內(nèi)部元素向生物體擴(kuò)散。一步腐蝕，阻止內(nèi)部元素向生物體擴(kuò)散。北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)不銹鋼鐵素體和馬氏體不銹鋼不銹鋼鐵素體和馬氏體不銹鋼不銹鋼藥膏調(diào)刀不銹鋼藥膏調(diào)刀 不銹鋼持針鉗不銹鋼持針鉗 不銹鋼針頭不銹鋼針頭 北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)不銹鋼合金元素不銹鋼合金元素碳化物碳化物 (Cr23C6)的危害的危害A.在晶界處阻止鉻氧化膜形成在晶界處阻止鉻氧化膜形成B.碳化物與鉻氧化膜存在電位差碳化物與鉻氧化

18、膜存在電位差C.在晶界處存在應(yīng)力集中，加速腐蝕在晶界處存在應(yīng)力集中，加速腐蝕u碳的影響碳的影響碳是除鉻外的另一重要元素，它是奧氏體形成元素，形成奧氏體的碳是除鉻外的另一重要元素，它是奧氏體形成元素，形成奧氏體的能力為鎳的能力為鎳的30倍。奧氏體不銹鋼要特別控制碳的含量，能夠提高不銹倍。奧氏體不銹鋼要特別控制碳的含量，能夠提高不銹鋼在體液中的抗腐蝕能力。碳對鋼的耐蝕性是不利因素，這是由于碳鋼在體液中的抗腐蝕能力。碳對鋼的耐蝕性是不利因素，這是由于碳和鉻形成碳化物和鉻形成碳化物(Cr23C6)奪取了鋼中的鉻，使鋼的耐蝕性下降。奪取了鋼中的鉻，使鋼的耐蝕性下降。北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)不銹鋼

19、不銹鋼北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)醫(yī)用不銹鋼合金元素醫(yī)用不銹鋼合金元素鎳：鎳：奧氏體不銹鋼的主要元素，主要作用是形成并穩(wěn)定奧奧氏體不銹鋼的主要元素，主要作用是形成并穩(wěn)定奧氏體，從而使鋼具有良好的強(qiáng)度和塑性、韌性的配合，并具氏體，從而使鋼具有良好的強(qiáng)度和塑性、韌性的配合，并具有優(yōu)良的冷、熱加工性和冷形成性以及焊接、低溫與無磁等有優(yōu)良的冷、熱加工性和冷形成性以及焊接、低溫與無磁等性能，同時提高熱力學(xué)穩(wěn)定性、不銹性和耐氧化性。性能，同時提高熱力學(xué)穩(wěn)定性、不銹性和耐氧化性。鈦：鈦：有顯著的時效強(qiáng)化作用，但含量過高將降低鋼的沖擊有顯著的時效強(qiáng)化作用，但含量過高將降低鋼的沖擊韌性和塑性。韌性和塑性。鉬

20、：鉬：鐵素體形成元素，促進(jìn)鐵素體形成元素，促進(jìn)相形成能力相當(dāng)于鉻。并且能相形成能力相當(dāng)于鉻。并且能改善鋼的耐蝕性，提高鋼的強(qiáng)度和硬度，含量改善鋼的耐蝕性，提高鋼的強(qiáng)度和硬度，含量1%。北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)醫(yī)用不銹鋼鐵素體和馬氏體不銹鋼醫(yī)用不銹鋼鐵素體和馬氏體不銹鋼不銹鋼藥膏調(diào)刀不銹鋼藥膏調(diào)刀 不銹鋼持針鉗不銹鋼持針鉗 不銹鋼針頭不銹鋼針頭 北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)奧氏體型不銹鋼：奧氏體型不銹鋼：鎳含量足夠多，使鋼在室溫下也具有奧氏體組織。鎳含量足夠多，使鋼在室溫下也具有奧氏體組織。消耗量在所有不銹鋼中約占消耗量在所有不銹鋼中約占70。 奧氏體不銹鋼是作為醫(yī)用金屬植入材料最重

21、要的鋼類奧氏體不銹鋼是作為醫(yī)用金屬植入材料最重要的鋼類u按照維持合金奧氏體基體所采取的合金化方式，奧氏體按照維持合金奧氏體基體所采取的合金化方式，奧氏體不銹鋼可分為鉻鎳不銹鋼和鉻錳不銹鋼。不銹鋼可分為鉻鎳不銹鋼和鉻錳不銹鋼。u鐵、鉻和鎳是鉻鎳奧氏體不銹鋼的三大基礎(chǔ)元素，加入鐵、鉻和鎳是鉻鎳奧氏體不銹鋼的三大基礎(chǔ)元素，加入適量錳和氮，同時將鎳含量降低乃至完全取消也能保持適量錳和氮，同時將鎳含量降低乃至完全取消也能保持合金基體在室溫下呈完全奧氏體組織。合金基體在室溫下呈完全奧氏體組織。醫(yī)用不銹鋼醫(yī)用不銹鋼奧氏體型不銹鋼奧氏體型不銹鋼北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué) 醫(yī)用不銹鋼奧氏體型不銹鋼醫(yī)用不銹

22、鋼奧氏體型不銹鋼u在在316不銹鋼中，除具有普通奧氏體鋼所含的元素不銹鋼中，除具有普通奧氏體鋼所含的元素Cr和和Ni外，還含外，還含有有Mo元素。元素。鉬的主要作用鉬的主要作用 提高鋼在還原性介質(zhì)（比如提高鋼在還原性介質(zhì)（比如H2SO4，HCl以及一些有機(jī)酸和尿素環(huán)以及一些有機(jī)酸和尿素環(huán)境）的耐蝕性，并提高鋼的耐點(diǎn)蝕及縫隙腐蝕等性能。境）的耐蝕性，并提高鋼的耐點(diǎn)蝕及縫隙腐蝕等性能。鉬對組織的影響鉬對組織的影響 鉬和鉻都是形成和穩(wěn)定鐵素體并擴(kuò)大鐵素體相區(qū)的元素，鉬還促進(jìn)鉬和鉻都是形成和穩(wěn)定鐵素體并擴(kuò)大鐵素體相區(qū)的元素，鉬還促進(jìn)奧氏體不銹鋼中金屬間相，比如奧氏體不銹鋼中金屬間相，比如相、相、相和相

23、和Laves相等的沉淀。相等的沉淀。 作為醫(yī)用金屬常用的有奧氏體不銹鋼主要有：作為醫(yī)用金屬常用的有奧氏體不銹鋼主要有：316不銹鋼（不銹鋼（0Cr17Ni12Mo2 ）316L不銹鋼（不銹鋼（00Cr17Ni14Mo2 ）北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué) 316系列不銹鋼的力學(xué)性能系列不銹鋼的力學(xué)性能醫(yī)用不銹鋼奧氏體型不銹鋼醫(yī)用不銹鋼奧氏體型不銹鋼北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)316和和316L不銹鋼特點(diǎn)：不銹鋼特點(diǎn)：1.很好的抗短期腐蝕能力很好的抗短期腐蝕能力 ；2.良好的延展性和持久性；良好的延展性和持久性；3.通過冷加工可以改善力學(xué)性能；通過冷加工可以改善力學(xué)性能；4.引入更多引入更多

24、 的缺陷能改進(jìn)在生理環(huán)境中的應(yīng)用；的缺陷能改進(jìn)在生理環(huán)境中的應(yīng)用；5.便宜易得。便宜易得。醫(yī)用不銹鋼奧氏體型不銹鋼醫(yī)用不銹鋼奧氏體型不銹鋼1.長期在含氯鹽液體中服役會發(fā)生點(diǎn)蝕，因此不適合長長期在含氯鹽液體中服役會發(fā)生點(diǎn)蝕，因此不適合長期在生物體中服役；期在生物體中服役；2.雖然不銹鋼強(qiáng)度大，但其密度也大，其強(qiáng)度質(zhì)量比不雖然不銹鋼強(qiáng)度大，但其密度也大，其強(qiáng)度質(zhì)量比不如其他醫(yī)用金屬材料；如其他醫(yī)用金屬材料；3.生物相容性不太理想。生物相容性不太理想。作為植入材料缺點(diǎn)：作為植入材料缺點(diǎn)：北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)奧氏體不銹鋼的應(yīng)用奧氏體不銹鋼的應(yīng)用 自從上世紀(jì)自從上世紀(jì)20年代以來，年代以來，

25、 奧氏體不銹鋼長期以來奧氏體不銹鋼長期以來在醫(yī)療上有廣泛的應(yīng)用。在醫(yī)療上有廣泛的應(yīng)用。在骨科方面在骨科方面： 用來制作各種人工關(guān)節(jié)和骨折內(nèi)固用來制作各種人工關(guān)節(jié)和骨折內(nèi)固定器，如人工髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)等。定器，如人工髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)等。在口腔科方面在口腔科方面： 常用于鑲牙、矯形和牙根種植等常用于鑲牙、矯形和牙根種植等 各種器件的制作，如牙冠、固定支架、正畸絲等。各種器件的制作，如牙冠、固定支架、正畸絲等。在心血管方面在心血管方面： 常用于傳感器的外殼與導(dǎo)線、介常用于傳感器的外殼與導(dǎo)線、介入性治療導(dǎo)絲與血管內(nèi)支架等。入性治療導(dǎo)絲與血管內(nèi)支架等。醫(yī)用不銹鋼奧氏體型不銹鋼醫(yī)用不銹鋼奧氏體

26、型不銹鋼北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)管腔支架治療冠狀動脈狹窄北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)三、鈷基合金三、鈷基合金北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)u 20世紀(jì)世紀(jì)50年代以后，人們認(rèn)識到在生體環(huán)境中，鈷基年代以后，人們認(rèn)識到在生體環(huán)境中，鈷基合金比不銹鋼的耐蝕性更優(yōu)越，于是鈷基合金逐漸取合金比不銹鋼的耐蝕性更優(yōu)越，于是鈷基合金逐漸取代不銹鋼的地位。代不銹鋼的地位。鈷鉻合金鈷鉻合金25 %(wt %) 鉻和鉻和 75 % 鈷，因?yàn)檫@類合金有很高的鈷，因?yàn)檫@類合金有很高的抗腐蝕能力，抗氧化能力和耐磨損性能，又被稱為抗腐蝕能力，抗氧化能力和耐磨損性能，又被稱為“STELLITE”，即金屬中的，

27、即金屬中的“明星明星”。鈷基合金（鈷基合金（Co-CrCo-Cr）北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)鈷基合金（鈷基合金（Co-Cr）Co-Cr相圖相圖北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)Co-Cr合金中的合金元素合金中的合金元素Cr：抗腐蝕能力，固溶強(qiáng)化：抗腐蝕能力，固溶強(qiáng)化Mo：晶粒細(xì)化、固溶強(qiáng)化：晶粒細(xì)化、固溶強(qiáng)化W：提高延展性、加工性能：提高延展性、加工性能Ni：增強(qiáng)強(qiáng)度、延展性：增強(qiáng)強(qiáng)度、延展性三、鈷基合金（三、鈷基合金（Co-CrCo-Cr）北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)鈷鉻合金和不銹鋼性能比較鈷鉻合金和不銹鋼性能比較UTS（Ultimate Tensile Strength）：極限抗拉

28、強(qiáng)度）：極限抗拉強(qiáng)度Tensile Elongation :拉伸率拉伸率三、鈷基合金（三、鈷基合金（Co-CrCo-Cr）1 1）鈍化膜更穩(wěn)定，耐蝕性更好；）鈍化膜更穩(wěn)定，耐蝕性更好；2 2）摩擦系數(shù)小，耐磨性是所有金屬醫(yī)用材料中最好的。）摩擦系數(shù)小，耐磨性是所有金屬醫(yī)用材料中最好的。3 3）高密度和彈性模量）高密度和彈性模量缺點(diǎn)：價(jià)格高，生產(chǎn)加工條件苛刻缺點(diǎn)：價(jià)格高，生產(chǎn)加工條件苛刻北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)鈷基合金的應(yīng)用鈷基合金的應(yīng)用 相對不銹鋼而言，鈷基合金更適合用于體內(nèi)承載相對不銹鋼而言，鈷基合金更適合用于體內(nèi)承載苛刻條件的長期植入件。主要應(yīng)用于口腔科，固定器苛刻條件的長期植入件

29、。主要應(yīng)用于口腔科，固定器械，人工關(guān)節(jié)等。械，人工關(guān)節(jié)等。 四四類類Co-基合金作基合金作為為外科植入外科植入應(yīng)應(yīng)用：用： (1) 鑄鑄造的造的CoCrMo合金合金(F76) (2) 鍛鍛造的造的CoCrWNi合金合金(F90) (3) 鍛鍛造的造的CoNiCrMo合金合金(F562) (4) 鍛鍛造的造的CoNiCrMoWFe合金合金(F563)三、鈷基合金（三、鈷基合金（Co-CrCo-Cr）北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)鈷基合金（鈷基合金（Co-CrCo-Cr）北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)鈷基合金（鈷基合金（Co-CrCo-Cr）牙科植入物牙科植入物北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)

30、鈷基合金（鈷基合金（Co-CrCo-Cr）人工心臟瓣膜人工心臟瓣膜北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)四、鈦合金四、鈦合金北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)3. 原子序數(shù)原子序數(shù)22，相對原子量，相對原子量47.9，原子半徑，原子半徑0.145nm。鈦的物理性質(zhì)鈦的物理性質(zhì)2. 密度密度4.51g/cm3 ，只相當(dāng)于鋼的，只相當(dāng)于鋼的57%，屬于輕金屬。，屬于輕金屬。4. 導(dǎo)電性差，熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)均較低，熱導(dǎo)率只有鐵導(dǎo)電性差，熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)均較低，熱導(dǎo)率只有鐵的的1/4，只有銅的，只有銅的1/7；0.49K出現(xiàn)超導(dǎo)性。出現(xiàn)超導(dǎo)性。5. 鈦無磁性，在很強(qiáng)的磁場下也不會磁化（用鈦制人造骨鈦無磁性

31、，在很強(qiáng)的磁場下也不會磁化（用鈦制人造骨和關(guān)節(jié)植入人體內(nèi)不會受雷雨天氣的影響）和關(guān)節(jié)植入人體內(nèi)不會受雷雨天氣的影響）1. 熔點(diǎn)熔點(diǎn)16685，屬于難熔金屬。，屬于難熔金屬。北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)1. 平衡電位低平衡電位低-1.63V，活潑金屬，在介質(zhì)中的熱力學(xué)腐蝕，活潑金屬，在介質(zhì)中的熱力學(xué)腐蝕傾向大。傾向大。鈦的化學(xué)性能鈦的化學(xué)性能2. 鈦和氧的親和力高，易形成高化學(xué)穩(wěn)定的致密氧化膜，鈦和氧的親和力高，易形成高化學(xué)穩(wěn)定的致密氧化膜，所以在氧化性、中性和弱還原性介質(zhì)中耐腐蝕；所以在氧化性、中性和弱還原性介質(zhì)中耐腐蝕；3. 在淡水和海水中抗蝕性優(yōu)于鋁合金、不銹鋼和鎳基合金。在淡水和海水

32、中抗蝕性優(yōu)于鋁合金、不銹鋼和鎳基合金。4. 無毒，生物相容性好。無毒，生物相容性好。北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)一、鈦合金的特點(diǎn)一、鈦合金的特點(diǎn)鈦鈦有兩種同素異構(gòu)體，有兩種同素異構(gòu)體，1. -Ti在在882 以下穩(wěn)定，以下穩(wěn)定， 密排六方晶格（密排六方晶格（hcp）；）； 2. -Ti在在882 與熔點(diǎn)與熔點(diǎn)1678 之間穩(wěn)定存在，體心立方晶格（之間穩(wěn)定存在，體心立方晶格（bbc）。）。北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)穩(wěn)定元素：提高穩(wěn)定元素：提高轉(zhuǎn)變溫度的元素：轉(zhuǎn)變溫度的元素： Al/ C、N、O鈦合金的特點(diǎn)鈦合金的特點(diǎn)合金元素的作用合金元素的作用穩(wěn)定元素：降低穩(wěn)定元素：降低 轉(zhuǎn)變溫度的元

33、素：轉(zhuǎn)變溫度的元素： Zr、Mo、Nb、Ta、V/ Mn、Fe、Cr、Si、Cu/ H對鈦的對鈦的元素轉(zhuǎn)變溫度影響不明顯的元素：元素轉(zhuǎn)變溫度影響不明顯的元素： Sn、Mg、La、Ce北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)-鈦合金鈦合金-鈦合金鈦合金+ 鈦合金鈦合金高溫性能好高溫性能好組織穩(wěn)定組織穩(wěn)定焊接性能好焊接性能好常溫強(qiáng)度低常溫強(qiáng)度低塑性不夠高塑性不夠高常溫強(qiáng)度好常溫強(qiáng)度好塑性加工性能好塑性加工性能好組織不穩(wěn)定組織不穩(wěn)定冶金工藝復(fù)雜冶金工藝復(fù)雜綜合力學(xué)性能好綜合力學(xué)性能好強(qiáng)度高強(qiáng)度高焊接性能好焊接性能好塑性高塑性高中等溫度組織不穩(wěn)定中等溫度組織不穩(wěn)定鈦合金鈦合金的分類的分類北京航空航天大學(xué)北京航

34、空航天大學(xué)第一代：商業(yè)純鈦和第一代：商業(yè)純鈦和Ti6Al4V合金合金第二代：第二代： Ti5Al2.5Fe和和Ti6Al7Nb合金合金第三代：第三代：Ti13Nb13Zr和和Ti-12Mo-6Zr-2Fe合金合金生物醫(yī)用生物醫(yī)用Ti合金合金北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)第一代生物醫(yī)用鈦合金第一代生物醫(yī)用鈦合金n 20世紀(jì)世紀(jì)50年代初年代初, 英國和美國首先將商業(yè)純鈦用于制造接骨英國和美國首先將商業(yè)純鈦用于制造接骨板、螺釘、髓內(nèi)釘和骸關(guān)節(jié)。隨著臨床研究發(fā)現(xiàn)，純鈦存板、螺釘、髓內(nèi)釘和骸關(guān)節(jié)。隨著臨床研究發(fā)現(xiàn)，純鈦存在著明顯的強(qiáng)度、剛度不足的問題。在著明顯的強(qiáng)度、剛度不足的問題。為避免內(nèi)固定植入

35、物的斷裂失效為避免內(nèi)固定植入物的斷裂失效, 采用高強(qiáng)度采用高強(qiáng)度Ti6Al4V合金合金及高損傷容限型及高損傷容限型Ti6Al4V-ELI合金替代純鈦材料，目前合金替代純鈦材料，目前80以上的鈦合金植入物產(chǎn)品仍在使用這種合金。以上的鈦合金植入物產(chǎn)品仍在使用這種合金。 u但是但是V元素可引起惡性組織反應(yīng)元素可引起惡性組織反應(yīng), 對人體產(chǎn)生毒副作用對人體產(chǎn)生毒副作用 。北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)純鈦純鈦純鈦是純鈦是型鈦合金型鈦合金北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)純鈦純鈦鈦的力學(xué)性能：鈦的力學(xué)性能：1. 屈強(qiáng)比高，即屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度接近；屈強(qiáng)比高，即屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度接近；2. 彈性模量小，約

36、為彈性模量小，約為Fe的的54%。3. 在高溫（在高溫（550600）可以保持高比強(qiáng)。）可以保持高比強(qiáng)。4. 工業(yè)純鈦（工業(yè)純鈦（99.5%）比高純鈦（）比高純鈦（99.9%）強(qiáng)度高、塑性低。）強(qiáng)度高、塑性低。北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)Ti6Al4V合金合金 + 型型uAl ：Al是唯一是唯一穩(wěn)定元素，同時是最主要的強(qiáng)化元穩(wěn)定元素，同時是最主要的強(qiáng)化元素，固溶強(qiáng)化作用顯著。隨素，固溶強(qiáng)化作用顯著。隨Al量的增加，合金的強(qiáng)量的增加，合金的強(qiáng)度提高，而塑性無明顯降低，當(dāng)度提高，而塑性無明顯降低，當(dāng)Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過7%后，由于組織中出現(xiàn)脆性的后，由于組織中出現(xiàn)脆性的Ti3Al化

37、合物，使塑化合物，使塑性顯著降低，故其質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過性顯著降低，故其質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過7% uV： 釩與釩與 鈦屬于同晶元素，具有鈦屬于同晶元素，具有穩(wěn)定化作用。穩(wěn)定化作用。釩在釩在 鈦中無限固溶，鈦中無限固溶， 而在而在-Ti中也有一定的固溶中也有一定的固溶度。釩具有顯著的固溶強(qiáng)化作用，提高合金強(qiáng)度同度。釩具有顯著的固溶強(qiáng)化作用，提高合金強(qiáng)度同時，能保持良好的塑性，還能提高鈦合金的熱穩(wěn)定時，能保持良好的塑性，還能提高鈦合金的熱穩(wěn)定性。性。Ti6Al4V合金合金北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)n 20世紀(jì)世紀(jì)80年代以來年代以來, 德國和瑞士的生物材料學(xué)家先后研德國和瑞士的生物材料學(xué)家先后研制出不含制出不含V的的Ti5Al2.5Fe和和Ti6Al7Nb合金，并更為成合金，并更為成功地實(shí)現(xiàn)了臨床應(yīng)用功地實(shí)現(xiàn)了臨床應(yīng)用 。Ti5Al2.5Fe和和Ti6Al7Nb合金的力學(xué)性能和合金的力學(xué)性能和Ti6Al4V合金相合金相近，并具有較好的生物相容性和耐腐蝕性能。近，并具有較好的生物相容性和耐腐蝕性能。u