常用医用金属材料Word文档下载推荐.docx
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例如，不锈钢中含有毒的铁、钴、镍，加人2％有毒的铍可减小毒性；
加人20％铬如此可消除毒性并增强抗蚀性，因此，合金的研制对开发新型生物医用材料有重要意义。
毒性反响与材料释放的化学物质和浓度有关。
因此，假如在材料中需引人有毒金属元素来提高其他性能，首先应考虑采用合金化来减小或消除毒性，并提高其耐蚀性能；
其次采用外表保护层和提高光洁度等方法来提高抗蚀性能。
元素周期表上70％的元素是金属，但由于毒性和力学性能差等原因，适合用于生物医用、材料的纯金属很少，多为贵金属或过渡金属元素。
其中根本无毒的金属单质有：
铝〔AL〕、镓（Ga）、铟（In）、锡（Sn）、钛（Ti）、锆（Zr）、钼（Mo）、钨（W）、金（Au）、铂（Pt）在常用的生物医用合金材料中，还常采用铁（Fe）、钴（Co）、铬（Cr）、镍（Ni）、钒（V）、锰〔Mn〕等元素，如不锈钢〔Cr－Ni－Mn－Fe〕、钴合金〔Co－Cr－Ni－Mn－W－Fe〕等。
金属的毒性主要作用于细胞，可抑制酶的活动，阻止酶通过细胞膜的扩散和破坏溶酶体。
一般可通过组织或细胞培养、急性和慢性毒性试验、溶血试验等来检测。
二、耐生理腐蚀性
生物医用金属材料的耐生理腐蚀性是决定材料植人后成败的关键。
腐蚀的发生是一个缓慢的过程，其产物对生物机体的影响决定植人器件的使用寿命。
医用金属材料植人体后处于长期浸泡在含有机酸、碱金属或碱土金属离子〔Na+、K+、Ca2+〕、CI-离子等构成的恒温〔37℃〕电解质的环境中，加之蛋白质、酶和细胞的作用，其环境异常恶劣，材料腐蚀机制复杂。
此外，磨损和应力的反复作用，使材料在生物体的磨损过程加剧，可能发生多种腐蚀机制协同作用的情况。
因此，有必要了解材料在体环境的腐蚀机制，从而指导材料的设计和加工。
生物医用金属材料在人体生理环境下的腐蚀主要有八种类型：
1．均匀腐蚀
化学或电化学反响全部在暴露外表上或在大局部外表上均匀进展的一种腐蚀。
腐蚀产物与其进人人体环境中的金属离子总量较大，影响到材料的生物相容性。
2．点腐蚀
点腐蚀发生在金属外表某个局部，也就是说在金属外表出现了微电池作用，而作为阳极的部位要受到严重的腐蚀。
临床资料证实，医用不锈钢发生点蚀的可能性较大。
3．电偶腐蚀
发生在两个具有不同电极电位的金属配件偶上的腐蚀。
多见于两种以上材料制成的组合植人器件，甚至在加工零件过程中引人的其他工具的微粒屑，以与为病人手术所必须使用的外科器械引人的微粒屑，也可能引发电偶腐蚀。
因此，临床上建议使用单一材料制作植人部件以与相应的手术器械、工具。
4．缝隙腐蚀
由于环境中化学成分的浓度分布不均匀引起的腐蚀，属闭塞电池腐蚀，多发生在界面部位，如接骨板和骨螺钉，不锈钢植人器件更为常见。
5．晶间腐蚀
发生在材料部晶粒边界上的一种腐蚀，可导致材料力学性能严重下降。
一般可通过减少碳、硫、磷等杂质含量等手段来改善晶间腐蚀倾向。
6．磨蚀
植人器件之间切向反复的相对滑动所造成的外表磨损和腐蚀环境作用所造成的腐蚀。
不锈钢的耐磨蚀能力较差，钻基合金的耐磨蚀能力优良。
7．疲劳腐蚀
材料在腐蚀介质中承受某些应力的循环作用所产生的腐蚀，外表微裂纹和缺陷可使疲劳腐蚀加剧。
因此，提高外表光洁度可改善这一性能。
8．应力腐蚀
在应力和腐蚀介质共同作用下出现的一种加速腐蚀的行为。
在裂纹尖端处可发生力学和电化学综合作用，导致裂纹迅速扩展而造成植人器件断裂失效。
钛合金和不锈钢对应力腐蚀敏感，而钻基合金对应力腐蚀不敏感。
在设计和加工金属医用植人器件时，一方面，必须考虑上述8种腐蚀可能造成的失效，从材料成分的准确性、均匀性、杂质元素的含量以与冶炼铸造后材料的微观组织的调整〔包括热加工和热处理〕等诸方面对材料的质量加以控制。
另一方面，由于腐蚀与材料外表和环境有关，还必须重视改善材料的表观质量，如提高光洁度等，防止制品在形状、力学设计与材料配伍上出现不当。
三、机械性能与生物相容性
医用金属材料常作为受力器件在人体"
服役"
，如人工关节、人工椎体、骨折固定钢板、螺钉、骨钉、骨针、牙种植体等。
某些受力状态是相当恶劣的，如人工孵关节，每年要经受约3.6X1O6次〔以每1万步计〕可能数倍于人体体重的载荷冲击和磨损。
假如要使人工髋关节的使用寿命保持在15年以上，如此材料必须具有优良的机械性能和耐磨损性。
〔一〕强度与弹性模量
人体骨的力学性能因年龄、部位而异，评价骨和材料的力学性能最重要的指标有：
抗压强度、抗拉强度、屈服强度、弹性模量、疲劳极限和断裂韧性等。
人体骨的强度虽然并不很高，如股骨头的抗压强度仅为143MPa但具有较低的弹性模量；
股骨头纵向弹性模量约为13.8GPa径向弹性模量为纵向的1/3，因此，允许较大的应变，其断裂韧性较高。
此外，健康骨骼还具有自行调节能力，不易损坏或断裂。
与人体骨相反，生物医用金属材料通常具有较高的弹性模量，一般高出人体骨一个数量级，即使模量较低的钛合金也高出人体骨的4～5倍，加之材料不能自行调节状态，因此，材料可能在冲击载荷下发生断裂，如人工髋关节柄部折断。
要防止断裂发生，通常要求材料的强度高于人骨的3倍以上。
此外，还应有较高的疲劳强度和断裂韧性。
表3-1王为常用金属材料的机械性能。
为了保证材料的安全可靠性，在经过长期临床经验根底上，提出用于制作人工髓关节的医用金属材料力学性能的根本要求：
屈服强度不低于450MPa,极限抗拉强度不低于800MPa,疲劳强度高于400MPa,延伸率高于8％。
表3-1常用金属材料机械性能
316不锈钢
200
600～700
240～300
35～65
260～280
170～200
316L不锈钢
540～620
200～250
50～60
铸钴合金
655
450
8
316
300
锻钴合金
230
900～1540
380～1050
8～60
24～483
265～450
纯铁
110
405～550
345～485
15～18
310
240
钛-6铝-4钒
124
896
830
10～11
551
380
弹性模量是生物医用金属材料的重要物理性质之一，其值过高或过低都不利于广泛应用，即呈现生物力学不相容性。
如果金属的弹性模量相对骨骼过高，在应力作用下，承受应力的金属和骨将产生不同的应变，在金属与骨的接触界面处出现相对的位移，从而造成界面处的松动，影响植人器件的功能，或者造成应力屏蔽，引起骨组织的功能退化或吸收；
金属的弹性模量过低，如此在应力作用下会造成大的变形，起不到固定和支撑作用。
因此，一般希望金属材料的弹性模量要尽量接近或稍高于人骨的弹性模量。
一个金属植人器件的使用寿命常常受到金属与骨组织界面相容性的制约，以往所有的生物金属医用材料均不具备生物活性，金属和骨组织不会发生结实的结合，加之弹性模量差异造成的位移和松动，使得界面问题更加突出。
近年来广泛开展金属与合金材料（如钛与其合金）外表活化的研究，使得这一界面问题有望解决。
从材料本身属性来看，不锈钢、钴基合金都难以同时满足外表活性和降低模量的要求，目前，唯一有希望的是钛合金，因此，新型钛合金的开发成为生物医用金属材料的研究热点。
〔二〕耐磨性
对于摩擦部件的医用金属材料，其耐磨性直接影响到植人器件的寿命，如金属人工髋关节、股骨头磨损会产生有害的金属微粒或碎屑，这些微粒有较高的能量状态，容易与体液发生化学反响，导致磨损局部周围组织的炎症、毒性反响等。
金属易于磨损的原因之一是金属部的滑移系统较多，在应力作用下滑移不易受到阻碍。
材料的硬度可用来反映材料的耐磨性，因为硬度是材料抵抗其他物体刻划或压人其外表的能力，也可理解为在固体外表产生局部变形所需的能量。
因此，可通过提高材料的硬度来改善耐磨性。
如果提高材料整体的硬度，如此可能损害材料的其他特性，通常采用外表处理的方法来使材料外表晶化，使滑移受到阻碍，从而提高材料的外表硬度。
在某些场合，还可以考虑选择较为适合的磨擦隅，以减少磨损。
如采用高密度聚乙烯与钴合金和钛合金配伍。
但近来又有聚乙烯磨损屑对人有害的报导。
总之，应尽量防止造成有害磨损物的出现，并把磨损产物控制在较低量的水平。
到目前为止，金属的耐磨损性还没有得到突破性的改善。
因此，人们又把目光集中于瓷材料，用金属做关节柄，瓷〔Al2O3、ZTA、Si3N4等〕做股骨头的人工关节应运而生。
一、医用不锈钢
〔一〕组成、生产工艺与性质
医用不锈钢〔stainlesssteelasbiomedicalmaterial〕为铁基耐蚀合金，是最早开发的生物医用合金之一，以其易加工、价格低廉而得到广泛的应用，其中应用最多的是奥氏体超低碳316L和317L不锈钢。
表2-2为常用医用金属材料的成分表，相应的机械性能见表3-1。
由表3-2上可见，不锈钢316、316L和317L的主要区别在于依次碳含量逐渐降低，而这三种不锈钢的耐腐蚀性依次增强，其原因是由于碳可引起材料晶粒间的腐蚀。
此外，增加适量3％～4％〕的钥可增加材料在氯离子环境〔生理环境〕中的抗腐蚀能力。
因此，316L和317L两种合金已于1987年纳人国际标准ISO5832和ISO7153中。
我国已于1990年制定了相应的国家标准GB12417一90，并于1991年开始实施。
表3-2金属材料成分〔ASTM，1978〕〔以质量百分比计〕
铁
59～70
钴
—
57～67
40～56
铬
17～20
18～20
27～30
16～21
镍
12～14
11～15
9～11
钛
余量
铝
钒
碳
≤0.08
锰
磷
硫
硅
钼
钨
14～16
氯
氢
氧
其他
不锈钢中的铬〔Cr〕可形成氧化铬钝化膜，改善抗腐蚀能力；
镍〔Ni〕和〔Cr〕起到稳定奥氏体结构的作用；
镍的含量为12％～14％时，可得到单相奥氏体组织，防止转化为其他性能不佳的结构。
此外，降低不锈钢中的Si、Mn等杂质元素与非金属夹杂物，可进一步提高材料的抗腐蚀能力。
除组成可以影响到材料的性能外，材料的制造和加工工艺同样也可以在比拟宽的围调节材料的力学性能和耐腐蚀性能。
通常采用两种工艺生产医用不锈钢。
对于低纯度医用不锈钢，一般采用惰性气体保护，真空或非真空熔炼工艺生产。
而高纯度医用不锈钢一般先通过真空熔炼，然后再用真空电弧炉重熔或电渣重熔除去杂质，使其纯化。
临床应用较多的高纯度医用不锈钢，通常先后经热加工、冷加工和机械加工制作成各种医疗器件。
冷加工可大幅度提高医用不锈钢的强度，但并不引起塑性、韧性的明显降低。
采用机械抛光或电解抛光，可提高器件外表光洁度，有助于消除材料外表易腐蚀与应力集中隐患，提高不锈钢植人器件的使用寿命。
〔二〕生物相容性
医用不锈钢的生物相容性与其在机体的腐蚀行为与其所造成的腐蚀产物所引起的组织反响有关。
其腐蚀行为涉与均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶同腐蚀、磨蚀和疲劳腐蚀。
但常见的有点腐蚀，一般认为是用含量不足与外力擦伤或伤等所致；
界面腐蚀也是医用不锈钢的一种重要腐蚀现象，主要由缝隙腐蚀、磨蚀和电偶腐蚀构成，尤其前两种更为常见。
常因设计不合理导致应力与磨损，如在骨折固定板与骨钉、椎体与销钉之间接触界面产生应力集中和磨损。
由于腐蚀会造成金属离子或其他化合物进人周围的组织或整个机体，因而可在机体引起某些不良组织学反响，如出现水肿、感染、组织坏死等，从而导致疼痛和过敏反响等。
在多数情况下，人体只能容忍微量浓度的金属腐蚀物存在。
因此，必须从材料的组成、制造工艺和器件设计等多方面着手，尽量防止不锈钢在机体的腐蚀和磨损的发生。
大量的临床资料显示，医用不锈钢的腐蚀造成其长期植人的稳定性差，加之其密度和弹性模量与人体硬组织相距较大，导致力学相容性差。
因其溶出的镍离子有可能诱发肿瘤的形成与本身无生物活性，难于和生物组织形成结实的结合等原因，造成其应用比例近年呈下降趋势，但医用不锈钢，尤其是奥氏体316L不锈钢，仍以其较好的生物相容性和综合力学性能以与简便的加工工艺和低本钱在骨科、口腔修复和替换中占有重要的地位。
〔三〕临床应用
医用不锈钢在骨外科和齿科中应用最为广泛。
1．人工关节和骨折固定器械。
如人工髋关节、半髋关节、膝关节、肩关 节、肘关节、腕关节、踝关节与指关节。
各种规格的皮质骨和松质骨加 压螺钉、脊椎钉、骨牵引钢丝、哈氏棒、鲁氏棒、人工椎体和颅骨板等 ，这些植人件可替代生物体因关节炎或外伤损坏的关节，应用于骨折修 复，骨排列错位校正，慢性脊柱矫形和颅骨缺损修复等。
2．在齿科方面，医用不锈钢被广泛应用于镶牙、齿科矫形、牙根种植与辅 助器件。
如各种齿冠、齿桥、固定支架、卡环、基托等；
各种规格的嵌 件、牙列矫形弓丝、义齿和颌骨缺损修复等。
3．在心血管系统，医用不锈钢广泛应用于各种植人电极、传感器的外壳和 合金导线，可制作不锈钢的人工心脏瓣膜；
各种临床介人性治疗的血管 扩支架等。
4．医用不锈钢在其他方面也获得了广泛的应用，如用于各种眼科缝线、固 定环、人工眼导线、眼眶填充等；
还用于制作人工耳导线、各种宫避 孕环和用于输卵管栓堵等。
二、医用钴基合金
〔一〕组成与性能
最早开发的医用铝基合金〔cobaltalloyasbilmedicalmaterial〕为钴铬钼〔Co－Cr－Mo〕合金，其结构为奥氏体。
以其优良的力学性能和较好的生物相容性，尤其是优良的耐蚀、耐磨和铸造性能广泛得到应用。
其耐蚀性比不锈钢强数10倍，硬度比不锈钢高1/3〔见表3-1〕因钻铬铝合金；
为了改善钴铬铝合金的疲劳破坏问题，70年代又开发出具有良好疲劳性能的锻造钴镍铬铝钨铁（Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe）合金和具有多相组织的MP35N钻镍铬铝合金。
表3-3分别给出了典型钴基合金的成分和性能。
此外，精细铸造含钛的钻基合金也有应用，如商品牌号为Titaron和Titalium等。
目前，应用最多的是铸造钴铬铝合金，该合金已被纳人ISO5582／4标准，我国也于1990年将其歹人国标GB12417-90。
表3-3铀基合金成分〔％〕
Ni
Cr
26～28
Mo
5～7
W
Fe
Ti
C
Mn
Si
S
Co
〔二〕制造工艺与力学性能
医用钴基合金的力学性能不仅与其成分密切相关，同样还与其制造工艺有关。
在表2-4中的四种粘基合金中，只有钻铬铝合金可以在铸态下直接应用，其他三类均为医用锻造钻基合金。
表3-4典型钴墓合金性能
CoCrMo
铸态 固溶退火 锻造 退火（ASTM）
515 533 962 450
725 1143 1507 665
9 15 28 8
250 280 897 —
CoCrWNi
退火 冷加工 退火（ASTM）
350 1310 310
862 1510 860
60 12 10
345 586 —
MP35N
退火 冷加工 冷加工加时效 退火（ISO）
240 1206 1586 300
795 1276 1793 800
50 10 8 40
333 555 850 —
CoNiCrMoWfe
退火冷 加工 退火（ISO）
275 828 276
600 1000 600
50 18 50
— — —
钴在室温下是六方（hcp〕密排晶体结构，其高温稳定相为面心立方（fcc〕密排晶体结构。
由于两相的相变自由能较低，通过合金成分的微调整和塑性加工，可使合金在室温下得到上述两相混合的复相组织，从而提高力学性能。
医用钴基合金的制造加工方法主要有精细铸造、机械变形加工和粉末冶金三种。
精细铸造多用于制造形状复杂的制品，钻铬铝合金具有较宽的力学性能，在大多数情况下可满足临床的要求。
在需要时也可采用固溶退火锻造、热等静压来改善其组织缺陷，提高疲劳性能和力学性能，但后者本钱昂贵而很少采用。
机械变形工艺可使合金的铸态结构破碎，并得到晶粒细微的纤维状组织，提高力学性能。
常用的机械加工工艺有热轧产制、挤压和冲压。
同铸造钻铬铝合金相比，锻造钻基合金力学性能更优越〔见表2-4〕锻造钴基合金的人工孵关节在人体发生疲劳断裂的概率大大减少。
粉末冶金工艺是先将合金制成粉末，然后通过烧结得到相应的制品。
为了提高烧结体的密、度，多采用热等静压烧结工艺，但其本钱高，应用受到限制。
无论采用何种工艺生产钻基合金植人件，为了得到良好的光洁外表，必须对植人件进展加工、打磨和抛光。
当涉与钻基合金的焊接时，一般采用电子束焊或钨极氮弧焊。
〔三〕生物相容性
钻基合金在人体多保持钝化状态，很少见腐蚀现象，与不锈钢相比，其钝化膜更稳定，耐蚀性更好。
从耐磨性看，它也是所有医用金属材料中最好的，一般认为植人人体后没有明显的组织学反响。
但用铸造钻基合金制作的人工孵关节在体的松动率较高，其原因是由于金属磨损腐蚀造成Co、Ni等离子溶出，在体引起巨细胞与细胞和组织坏死，从而导致患者疼痛以与关节的松动、下沉。
钴、镍、铬还可产生皮肤过敏反响，其中以钻最为严重。
〔四〕临床应用
医用钴基合金和医用不锈钢是医用金属材料中应用最广泛的两类材料。
相对不锈钢而言，前者更适合于制造体承载苛刻、耐磨性要求较高的长期植人件。
其品种主要有各类人工关节与整形外科植人器械。
在心脏外科、齿科等领域均有应用，详见医用不锈钢。
三、医用钛与其合金
本世纪40年代以来，随着钛冶炼工艺的完善，以与钛良好的生物相容性得到证实，钛和钛合金逐渐在临床医学中获得应用。
1951年已开始用纯钛作接骨板和骨螺钉。
钛与钛合金的密度较小，为4．5g/cm3几乎仅为铁基和铝基合金的一半，其比强度高，弹性模量低，生物力学相容性较好；
生物相容性、耐腐蚀性和抗疲劳性能都优于不锈钢和钻基合金。
因此，从70年代中期钛与钛合金开始获得广泛的医学应用，成为最有开展前景的医用材料之一。
钛是目前的生物亲和性最好的金属之一，钛易与氧反响形成致密氧化钛〔TiO2〕钝化膜，植人后引起的组织反响轻微。
凝胶状态的TiO2膜甚至具有诱导体液中钙、磷离子沉积生成磷灰石的能力，表现出一定的生物活性和骨性结合能力，尤其适合于骨埋植。
纯钛在低于882℃时为六方密排（hcp）的а单相组织，力学性能较低，屈服强度为170～485MPa抗拉强度为240～550MPa由延伸率为15％～24％。
随着钛中氧含量的增高，纯钛的强度提高，塑性下降。
氧起着固溶强化作用。
此外，采用冷加工变形处理也可以提高纯钛的强度。
钛合金的研制始于宇航结构材料开发，随后转人医学应用。
最常用的有TC4（Ti6A14V）人在室温下具有。
а十β两相混合组织，通过固溶处理和时效处理，可使其强度等力学性
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