常用醫(yī)用金屬材料

1、常用醫(yī)用金屬材料概述生物醫(yī)用金屬材料 (biomedical metallic materials)用于整形外科、牙科等領(lǐng)域。由它制成的醫(yī)療器件植人人體內(nèi)，具有治療、修復(fù)、替代人體組織或器官 的功能，是生物醫(yī)用材料的重要組成部分。生物醫(yī)用金屬材料是人類最早利用的生物醫(yī)用材料之一，其應(yīng)用可以追溯到公元前400300年，那時的腓尼基人就已將金屬絲用于修復(fù)牙缺失。1546年純金薄片被用于修復(fù)缺損的顱骨。 直到 1880年成功地利用貴金屬銀對病人的膝蓋骨進(jìn) 行縫合， 1896年利用鍍鎳鋼螺釘進(jìn)行骨折治療后，才開始了對金屬醫(yī)用材料的系 統(tǒng)研究。本世紀(jì) 30 年代，隨著鉆鉻合金、不銹鋼和鈦及合金的相繼開發(fā)

2、成功并在 齒科和骨科中得到廣泛的應(yīng)用，奠定了金屬醫(yī)用材料在生物醫(yī)用材料中的重要地 位。 70 年代， Ni-Ti 形狀記憶合金在臨床醫(yī)學(xué)中的成功應(yīng)用以及金屬表面生物醫(yī) 用涂層材料的發(fā)展，使生物醫(yī)用金屬材料得到了極大的發(fā)展，成為當(dāng)今整形外科 等臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的材料。 雖然近 20年來生物醫(yī)用金屬材料相對于生物醫(yī)用 高分子材料、復(fù)合材料以及雜化和衍生材料的發(fā)展比較緩慢，但它以其高強度、 耐疲勞和易加工等優(yōu)良性能，仍在臨床上占有重要地位。目前，在需承受較高荷 載的骨、牙部位仍將其視為首選的植人材料。最重要的應(yīng)用有：骨折內(nèi)固定板、 螺釘、人工關(guān)節(jié)和牙根種植體等。生物醫(yī)用金屬材料要在人體內(nèi)生理環(huán)境條

3、件下長期停留并發(fā)揮其功能，其首 要條件是材料必須具有相對穩(wěn)定的化學(xué)性能，從而獲得適當(dāng)?shù)纳锵嗳菪?。迄?為止，除醫(yī)用貴金屬、醫(yī)用鈦、袒、鋸、鉛等單質(zhì)金屬外，其他生物醫(yī)用金屬材料都是合金，其中應(yīng)用較多的有：不銹鋼、鈷基合金、鈦合金、鎳鈦形狀記憶合 金和磁性合金等 第一節(jié) 生物醫(yī)用金屬材料的特性與生物相容性生物醫(yī)用金屬材料以其優(yōu)良的力學(xué)性能、易加工性和可靠性在臨床醫(yī)學(xué)中獲得了廣 泛的應(yīng)用，其重要性與生物醫(yī)用高分子材料并駕齊驅(qū)，在整個生物醫(yī)用材料應(yīng)用中各占 45左右。 由于金屬材料在組成上與人體組織成分相距甚遠(yuǎn)，因此，金屬材料很難與生 物組織產(chǎn)生親合，一般不具有生物活性，它們通常以其相對穩(wěn)定的化學(xué)性

4、能，獲得一定 的生物相容性，植人生物組織后，總是以異物的形式被生物組織所包裹，使之與正常組 織隔絕。組織反應(yīng)一般根據(jù)植人物周圍所形成的包膜厚度及細(xì)胞浸潤數(shù)來評價。美國材 料試驗學(xué)會的ASTM-F4勺標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：金屬材料埋植 6個月后，纖維包膜厚度v 0. 03mm 為合格。人體體液約合 l 氯化鈉及少量其他鹽類和有機化合物，局部酸堿性經(jīng)常略有變化， 溫度保持在37C左右，這種環(huán)境對金屬材料會產(chǎn)生腐蝕，其腐蝕產(chǎn)物可能是離子、氧化 物、氯化物等，它們與鄰近的組織接觸，甚至滲人正常組織或整個生物系統(tǒng)中，對正常 組織產(chǎn)生影響和刺激、以引起包括組織非正常生長、畸變、過敏或炎癥、感染等不良生 物反應(yīng)，甚至誘

5、發(fā)癌變。腐蝕作用同時會使材料的力學(xué)性能產(chǎn)生衰減，這兩種過程通常 單獨或協(xié)同造成材料的失效。因此，作為生物醫(yī)用金屬材料，首先必須滿足兩個基本條 件：第一是無毒性；第二是耐生理腐蝕性。一、金屬材料的毒性生物醫(yī)用金屬材料植人人體后，一般希望能在體內(nèi)永久或半永久地發(fā)揮生理 功能，所謂半永久對于金屬人工關(guān)節(jié)來說至少在 15 年以上，在這樣一個相當(dāng)長的 時間內(nèi)，金屬表面或多或少會有離子或原子因腐蝕或磨損進(jìn)人周圍生物組織，因 此，材料是否對生物組織有毒就成為選擇材料的必要條件。當(dāng)然，某些有毒的金 屬單質(zhì)與其他金屬元素形成合金后，可以減小甚至消除毒性。例如，不銹鋼中含 有毒的鐵、鈷、鎳，加人 2有毒的鈹可減小

6、毒性；加人 20鉻則可消除毒性并 增強抗蝕性，因此，合金的研制對開發(fā)新型生物醫(yī)用材料有重要意義。毒性反應(yīng)與材料釋放的化學(xué)物質(zhì)和濃度有關(guān)。因此，若在材料中需引人 有毒金屬元素來提高其他性能，首先應(yīng)考慮采用合金化來減小或消除毒性，并提高其耐蝕性能；其次采用表面保護(hù)層和提高光潔度等方法來提高抗蝕性能。元素周期表上 70的元素是金屬，但由于毒性和力學(xué)性能差等原因，適合用于生物醫(yī)用、材料的純金屬很少，多為貴金屬或過渡金屬元素。其中基本無毒的金屬單質(zhì)有：鋁(AL)、鎵(Ga)、銦(In)、錫(Sn)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉬(Mo)、 鎢(W)、金(Au)、鉑(Pt)在常用的生物醫(yī)用合金材料中， 還常采

7、用鐵(Fe)、鉆(Co)、 鉻(Cr)、鎳(Ni)、釩(V)、錳(Mn)等元素，如不銹鋼(Cr Ni - Mn- Fe)、鉆合 金(Co- Cr Ni Mn- W Fe)等。金屬的毒性主要作用于細(xì)胞，可抑制酶的活動，阻止酶通過細(xì)胞膜的擴 散和破壞溶酶體。一般可通過組織或細(xì)胞培養(yǎng)、急性和慢性毒性試驗、溶血試驗 等來檢測。二、耐生理腐蝕性生物醫(yī)用金屬材料的耐生理腐蝕性是決定材料植人后成敗的關(guān)鍵。腐蝕的發(fā)生是一 個緩慢的過程，其產(chǎn)物對生物機體的影響決定植人器件的使用壽命。醫(yī)用金屬材料植人 體內(nèi)后處于長期浸泡在含有機酸、堿金屬或堿土金屬離子( Na+、 K+、Ca2+)、 CI- 離子 等構(gòu)成的恒溫(

8、37C)電解質(zhì)的環(huán)境中，加之蛋白質(zhì)、酶和細(xì)胞的作用，其環(huán)境異常惡 劣，材料腐蝕機制復(fù)雜。此外，磨損和應(yīng)力的反復(fù)作用，使材料在生物體內(nèi)的磨損過程 加劇，可能發(fā)生多種腐蝕機制協(xié)同作用的情況。因此，有必要了解材料在體內(nèi)環(huán)境的腐 蝕機制，從而指導(dǎo)材料的設(shè)計和加工。生物醫(yī)用金屬材料在人體生理環(huán)境下的腐蝕主要 有八種類型：1均勻腐蝕化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)全部在暴露表面上或在大部分表面上均勻進(jìn)行的一種腐蝕。腐蝕 產(chǎn)物及其進(jìn)人人體環(huán)境中的金屬離子總量較大，影響到材料的生物相容性。2點腐蝕點腐蝕發(fā)生在金屬表面某個局部，也就是說在金屬表面出現(xiàn)了微電池作用，而作為 陽極的部位要受到嚴(yán)重的腐蝕。臨床資料證實，醫(yī)用不銹鋼發(fā)生

9、點蝕的可能性較大。3電偶腐蝕發(fā)生在兩個具有不同電極電位的金屬配件偶上的腐蝕。多見于兩種以上材料制成的 組合植人器件，甚至在加工零件過程中引人的其他工具的微粒屑，以及為病人手術(shù)所必須使用的外科器械引人的微粒屑，也可能引發(fā)電偶腐蝕。因此，臨床上建議使用單一材 料制作植人部件以及相應(yīng)的手術(shù)器械、工具。4縫隙腐蝕由于環(huán)境中化學(xué)成分的濃度分布不均勻引起的腐蝕，屬閉塞電池腐蝕，多發(fā)生在界 面部位，如接骨板和骨螺釘，不銹鋼植人器件更為常見。5晶間腐蝕發(fā)生在材料內(nèi)部晶粒邊界上的一種腐蝕，可導(dǎo)致材料力學(xué)性能嚴(yán)重下降。一般可通 過減少碳、硫、磷等雜質(zhì)含量等手段來改善晶間腐蝕傾向。6磨蝕植人器件之間切向反復(fù)的相對滑

10、動所造成的表面磨損和腐蝕環(huán)境作用所造成的腐 蝕。不銹鋼的耐磨蝕能力較差，鉆基合金的耐磨蝕能力優(yōu)良。7疲勞腐蝕材料在腐蝕介質(zhì)中承受某些應(yīng)力的循環(huán)作用所產(chǎn)生的腐蝕，表面微裂紋和缺陷可使 疲勞腐蝕加劇。因此，提高表面光潔度可改善這一性能。8應(yīng)力腐蝕在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下出現(xiàn)的一種加速腐蝕的行為。在裂紋尖端處可發(fā)生力 學(xué)和電化學(xué)綜合作用，導(dǎo)致裂紋迅速擴展而造成植人器件斷裂失效。鈦合金和不銹鋼對 應(yīng)力腐蝕敏感，而鉆基合金對應(yīng)力腐蝕不敏感。在設(shè)計和加工金屬醫(yī)用植人器件時，一 方面，必須考慮上述 8 種腐蝕可能造成的失效，從材料成分的準(zhǔn)確性、均勻性、雜質(zhì)元 素的含量以及冶煉鑄造后材料的微觀組織的調(diào)整（包

11、括熱加工和熱處理）等諸方面對材 料的質(zhì)量加以控制。另一方面，由于腐蝕與材料表面和環(huán)境有關(guān)，還必須重視改善材料 的表觀質(zhì)量，如提高光潔度等，避免制品在形狀、力學(xué)設(shè)計及材料配伍上出現(xiàn)不當(dāng)。三、機械性能與生物相容性醫(yī)用金屬材料常作為受力器件在人體內(nèi) 服役 ，如人工關(guān)節(jié)、人工椎體、骨折內(nèi)固 定鋼板、螺釘、骨釘、骨針、牙種植體等。某些受力狀態(tài)是相當(dāng)惡劣的，如人工孵關(guān)節(jié)， 每年要經(jīng)受約次（以每 1 萬步計）可能數(shù)倍于人體體重的載荷沖擊和磨損。若要使人工 髖關(guān)節(jié)的使用壽命保持在 15 年以上，則材料必須具有優(yōu)良的機械性能和耐磨損性。（一）強度與彈性模量人體骨的力學(xué)性能因年齡、部位而異，評價骨和材料的力學(xué)性能

12、最重要的指標(biāo)有：抗壓強度、抗拉強度、屈服強度、彈性模量、疲勞極限和斷裂韌性等。人體骨的強度雖然并不很高，如股骨頭的抗壓強度僅為 143MPa但具有較低的彈性模量；股骨頭縱向彈性模量約為徑向彈性模量為縱向的1/3，因此，允許較大的應(yīng)變，其斷裂韌性較高。此外，健康骨骼還具有自行調(diào)節(jié)能力，不易損壞或斷裂。與人體骨相反，生物醫(yī)用金屬材料通常具有較高的彈性模量，一般高出人體骨一個數(shù)量級，即使模量較低的鈦合金也高出人體骨的45倍，加之材料不能自行調(diào)節(jié)狀態(tài)，因此，材料可能在沖擊載荷下發(fā)生斷裂，如人工髖關(guān)節(jié)柄部折斷。要避 免斷裂發(fā)生，通常要求材料的強度高于人骨的3倍以上。此外，還應(yīng)有較高的疲勞強度和斷裂韌性。

13、表 3-1王為常用金屬材料的機械性能。為了保證材料的安全 可靠性，在經(jīng)過長期臨床經(jīng)驗基礎(chǔ)上，提出用于制作人工髓關(guān)節(jié)的醫(yī)用金屬材料 力學(xué)性能的基本要求：屈服強度不低于450 MPa,極限抗拉強度不低于 800MPa疲勞強度高于400MPa延伸率高于8 %。表3-1常用金屬材料機械性能二316不銹鋼20060070024030035 65260280170 200316L不銹鋼20054062020025050 60260280170 200|鑄鉆合金2006554508316300鍛鉆合金2309001540380105086024 483265450純鐵11040555034548515 18

14、310240鈦-6鋁-4釩12489683010 11551380彈性模量是生物醫(yī)用金屬材料的重要物理性質(zhì)之一，其值過高或過低都不利于廣泛應(yīng)用, 即呈現(xiàn)生物力學(xué)不相容性。如果金屬的彈性模量相對骨骼過高，在應(yīng)力作用下，承受應(yīng) 力的金屬和骨將產(chǎn)生不同的應(yīng)變，在金屬與骨的接觸界面處出現(xiàn)相對的位移，從而造成 界面處的松動，影響植人器件的功能，或者造成應(yīng)力屏蔽，弓I起骨組織的功能退化或吸 收；金屬的彈性模量過低，則在應(yīng)力作用下會造成大的變形，起不到固定和支撐作用。因此，一般希望金屬材料的彈性模量要盡量接近或稍高于人骨的彈性模量。一個金屬植 人器件的使用壽命常常受到金屬與骨組織界面相容性的制約，以往所有的

15、生物金屬醫(yī)用 材料均不具備生物活性，金屬和骨組織不會發(fā)生牢固的結(jié)合，加之彈性模量差異造成的 位移和松動，使得界面問題更加突出。近年來廣泛開展金屬及合金材料 （ 如鈦及其合金 ） 表面活化的研究，使得這一界面問題有望解決。從材料本身屬性來看，不銹鋼、鈷基合 金都難以同時滿足表面活性和降低模量的要求，目前，唯一有希望的是鈦合金，因此， 新型鈦合金的開發(fā)成為生物醫(yī)用金屬材料的研究熱點。（二）耐磨性對于摩擦部件的醫(yī)用金屬材料，其耐磨性直接影響到植人器件的壽命， 如金屬人工髖關(guān)節(jié)、股骨頭磨損會產(chǎn)生有害的金屬微粒或碎屑，這些微粒有較高 的能量狀態(tài)，容易與體液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致磨損局部周圍組織的炎癥、毒性反

16、 應(yīng)等。金屬易于磨損的原因之一是金屬內(nèi)部的滑移系統(tǒng)較多，在應(yīng)力作用下滑移 不易受到阻礙。材料的硬度可用來反映材料的耐磨性，因為硬度是材料抵抗其他物體刻 劃或壓人其表面的能力，也可理解為在固體表面產(chǎn)生局部變形所需的能量。因此， 可通過提高材料的硬度來改善耐磨性。如果提高材料整體的硬度，則可能損害材 料的其他特性，通常采用表面處理的方法來使材料表面晶化，使滑移受到阻礙， 從而提高材料的表面硬度。在某些場合，還可以考慮選擇較為適合的磨擦隅，以 減少磨損。如采用高密度聚乙烯與鈷合金和鈦合金配伍。但近來又有聚乙烯磨損 屑對人有害的報導(dǎo)?？傊?，應(yīng)盡量避免造成有害磨損物的出現(xiàn)，并把磨損產(chǎn)物控 制在較低量的水

17、平。到目前為止，金屬的耐磨損性還沒有得到突破性的改善。因 此，人們又把目光集中于陶瓷材料，用金屬做關(guān)節(jié)柄，陶瓷（Al2O3、ZTA、 Si3N4等）做股骨頭的人工關(guān)節(jié)應(yīng)運而生。一、醫(yī)用不銹鋼一）組成、生產(chǎn)工藝與性質(zhì)醫(yī)用不銹鋼（stainless steel as biomedical material）為鐵基耐蝕合金，是最早開發(fā)的生物醫(yī)用合金之一，以其易加工、價格低廉而得到廣泛的應(yīng)用，其中應(yīng)用最多 的是奧氏體超低碳316L和317L不銹鋼。表2-2為常用醫(yī)用金屬材料的成分表，相應(yīng)的 機械性能見表3-1。由表3-2上可見，不銹鋼316、316L和317L的主要區(qū)別在于依次碳 含量逐漸降低，而這三

18、種不銹鋼的耐腐蝕性依次增強，其原因是由于碳可引起材料內(nèi)晶 粒間的腐蝕。此外，增加適量 3%4%）的鑰可增加材料在氯離子環(huán)境（生理環(huán)境）中 的抗腐蝕能力。因此,316L和317L兩種合金已于1987年納人國際標(biāo)準(zhǔn)ISO5832和ISO7153 中。我國已于1990年制定了相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn) GB12417一 90，并于1991年開始實施。表3-2金屬材料成分（ASTM 1978）（以質(zhì)量百分比計）鉬鎢14 16氯氫氧其/、他合計不銹鋼中的鉻(Cr)可形成氧化鉻鈍化膜，改善抗腐蝕能力；鎳(Ni)和(Cr) 起到穩(wěn)定奧氏體結(jié)構(gòu)的作用； 鎳的含量為12%14%時，可得到單相奧氏體組織， 防止轉(zhuǎn)化為其他性能

19、不佳的結(jié)構(gòu)。此外，降低不銹鋼中的Si、Mn等雜質(zhì)元素及非金屬夾雜物，可進(jìn)一步提高材料的抗腐蝕能力。除組成可以影響到材料的性能外，材料的制造和加工工藝同樣也可以在比較 寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)材料的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。通常采用兩種工藝生產(chǎn)醫(yī)用不銹 鋼。對于低純度醫(yī)用不銹鋼，一般采用惰性氣體保護(hù)，真空或非真空熔煉工藝生 產(chǎn)。而高純度醫(yī)用不銹鋼一般先通過真空熔煉，然后再用真空電弧爐重熔或電渣 重熔除去雜質(zhì)，使其純化。臨床應(yīng)用較多的高純度醫(yī)用不銹鋼，通常先后經(jīng)熱加 工、冷加工和機械加工制作成各種醫(yī)療器件。冷加工可大幅度提高醫(yī)用不銹鋼的 強度，但并不引起塑性、韌性的明顯降低。采用機械拋光或電解拋光，可提高器 件

20、表面光潔度，有助于消除材料表面易腐蝕及應(yīng)力集中隱患，提高不銹鋼植人器 件的使用壽命。(二) 生物相容性醫(yī)用不銹鋼的生物相容性與其在機體內(nèi)的腐蝕行為及其所造成的腐蝕產(chǎn)物所引起的 組織反應(yīng)有關(guān)。其腐蝕行為涉及均勻腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕、晶同腐蝕、磨蝕和疲勞 腐蝕。但常見的有點腐蝕，一般認(rèn)為是用含量不足及外力擦傷或傷等所致；界面腐蝕也 是醫(yī)用不銹鋼的一種重要腐蝕現(xiàn)象，主要由縫隙腐蝕、磨蝕和電偶腐蝕構(gòu)成，尤其前兩種更為常見。常因設(shè)計不合理導(dǎo)致應(yīng)力及磨損，如在骨折固定板與骨釘、椎體與銷釘之 間接觸界面產(chǎn)生應(yīng)力集中和磨損。由于腐蝕會造成金屬離子或其他化合物進(jìn)人周圍的組 織或整個機體，因而可在機體內(nèi)引起某些

21、不良組織學(xué)反應(yīng)，如出現(xiàn)水腫、感染、組織壞 死等，從而導(dǎo)致疼痛和過敏反應(yīng)等。在多數(shù)情況下，人體只能容忍微量濃度的金屬腐蝕 物存在。因此，必須從材料的組成、制造工藝和器件設(shè)計等多方面著手，盡量避免不銹 鋼在機體內(nèi)的腐蝕和磨損的發(fā)生。大量的臨床資料顯示，醫(yī)用不銹鋼的腐蝕造成其長期植人的穩(wěn)定性差，加之其密度 和彈性模量與人體硬組織相距較大，導(dǎo)致力學(xué)相容性差。因其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的結(jié)合等原因，造成其應(yīng)用比 例近年呈下降趨勢，但醫(yī)用不銹鋼，尤其是奧氏體 316L 不銹鋼，仍以其較好的生物相容 性和綜合力學(xué)性能以及簡便的加工工藝和低成本在骨科、口腔修

22、復(fù)和替換中占有重要的 地位。（三）臨床應(yīng)用醫(yī)用不銹鋼在骨外科和齒科中應(yīng)用最為廣泛。1人工關(guān)節(jié)和骨折內(nèi)固定器械。如人工髖關(guān)節(jié)、半髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、肩關(guān) 節(jié)、肘關(guān) 節(jié)、腕關(guān)節(jié)、踝關(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、哈氏棒、魯氏棒、人工椎體和顱骨板等 ，這些植人件可替代生物體因關(guān)節(jié)炎 或外傷損壞的關(guān)節(jié)，應(yīng)用于骨折修 復(fù)，骨排列錯位校正，慢性脊柱矯形和顱骨缺損修 復(fù)等。2在齒科方面，醫(yī)用不銹鋼被廣泛應(yīng)用于鑲牙、齒科矯形、牙根種植及輔 助器件。 如各種齒冠、齒橋、固定支架、卡環(huán)、基托等；各種規(guī)格的嵌 件、牙列矯形弓絲、義 齒和頜骨缺損修復(fù)等。3在心血管系統(tǒng)，醫(yī)用不銹鋼廣

23、泛應(yīng)用于各種植人電極、傳感器的外殼和合金導(dǎo)線，可制作不銹鋼的人工心臟瓣膜；各種臨床介人性治療的血管 內(nèi)擴張支架等。4醫(yī)用不銹鋼在其他方面也獲得了廣泛的應(yīng)用，如用于各種眼科縫線、固 定環(huán)、人工眼導(dǎo)線、眼眶填充等；還用于制作人工耳導(dǎo)線、各種宮內(nèi)避 孕環(huán)和 用于輸卵管栓堵等。二、醫(yī)用鈷基合金（一）組成與性能最早開發(fā)的醫(yī)用鋁基合金（ cobalt alloy as bilmedical material）為鈷鉻鉬（ CoCr MO合金，其結(jié)構(gòu)為奧氏體。以其優(yōu)良的力學(xué)性能和較好的生物相容性，尤其是 優(yōu)良的耐蝕、耐磨和鑄造性能廣泛得到應(yīng)用。其耐蝕性比不銹鋼強數(shù) 10 倍，硬度比不銹 鋼高 1/3（見表 3

24、-1 ）因鉆鉻鋁合金； 為了改善鈷鉻鋁合金的疲勞破壞問題， 70年代又開發(fā)出具有良好疲勞性能的鍛造鉆鎳鉻鋁鎢鐵 （Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe）合金和具有多相組織的 MP35NI占鎳鉻鋁合金。表3-3分別給出了典型鉆基合金的成分和性能。此外，精密鑄造含鈦的鉆基合金也有應(yīng)用，如商品牌號為Titaron和Titalium 等。目前，應(yīng)用最多的是鑄 造鉆鉻鋁合金，該合金已被納人ISO5582/4標(biāo)準(zhǔn)，我國也于1990年將其歹人國標(biāo)GB12417-90表3-3鈾基合金成分（）111NiCr26 2827 30Me57WFeTiCMrSiSCo其他其他其他其他其他其他（二）制造工藝與力學(xué)性能醫(yī)用鉆基

25、合金的力學(xué)性能不僅與其成分密切相關(guān)，同樣還與其制造工藝有關(guān)。在表2-4中的四種粘基合金中，只有鉆鉻鋁合金可以在鑄態(tài)下直接應(yīng)用，其他三類均為醫(yī)用鍛造鉆基合金。表3-4典型鉆墓合金性能鑄態(tài)5157259固溶退火533114315250280897CoCrMo鍛造962150728退火4506658(ASTM)退火35086260冷加工CoCrWNi退火1310151012345586退火31086010(ASTM)退火24079550冷加工1206127610333555850MP35N冷加工加158617938時效退30080040火(ISO)退火冷27560050CoNiCrMc加工82810

26、0018 Wfe退火27660050(ISO)鉆在室溫下是六方（hep ）密排晶體結(jié)構(gòu)，其高溫穩(wěn)定相為面心立方（fee ）密排晶體結(jié)構(gòu)。由于兩相的相變自由能較低，通過合金成分的微調(diào)整和塑性加工， 可使合金在室溫下得到上述兩相混合的復(fù)相組織，從而提高力學(xué)性能。醫(yī)用鉆基 合金的制造加工方法主要有精密鑄造、機械變形加工和粉末冶金三種。精密鑄造多用于制造形狀復(fù)雜的制品，鉆鉻鋁合金具有較寬的力學(xué)性能，在大多數(shù)情況下可滿足臨床的要求。在需要時也可采用固溶退火鍛造、熱等靜壓 來改善其組織缺陷，提高疲勞性能和力學(xué)性能，但后者成本昂貴而很少采用。機械變形工藝可使合金的鑄態(tài)結(jié)構(gòu)破碎，并得到晶粒細(xì)微的纖維狀組織，提

27、高力學(xué)性能。常用的機械加工工藝有熱軋產(chǎn)制、擠壓和沖壓。同鑄造鉆鉻鋁合 金相比，鍛造鉆基合金力學(xué)性能更優(yōu)越 （見表2-4）鍛造鉆基合金的人工孵關(guān)節(jié)在 人體內(nèi)發(fā)生疲勞斷裂的概率大大減少。粉末冶金工藝是先將合金制成粉末，然后通過燒結(jié)得到相應(yīng)的制品。為了提高燒結(jié)體的密、度，多采用熱等靜壓燒結(jié)工藝，但其成本高，應(yīng)用受到限制 論采用何種工藝生產(chǎn)鉆基合金植人件，為了得到良好的光潔表面，必須對植人件 進(jìn)行加工、打磨和拋光。當(dāng)涉及鉆基合金的焊接時，一般采用電子束焊或鎢極氮 弧焊。（三）生物相容性鉆基合金在人體內(nèi)多保持鈍化狀態(tài)，很少見腐蝕現(xiàn)象，與不銹鋼相比，其鈍化膜更 穩(wěn)定，耐蝕性更好。從耐磨性看，它也是所有醫(yī)用

28、金屬材料中最好的，一般認(rèn)為植人人 體后沒有明顯的組織學(xué)反應(yīng)。 但用鑄造鉆基合金制作的人工孵關(guān)節(jié)在體內(nèi)的松動率較高， 其原因是由于金屬磨損腐蝕造成 Co、Ni 等離子溶出，在體內(nèi)引起巨細(xì)胞及細(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、下沉。鈷、鎳、鉻還可產(chǎn)生皮膚過敏反應(yīng)，其 中以鉆最為嚴(yán)重。（四）臨床應(yīng)用醫(yī)用鈷基合金和醫(yī)用不銹鋼是醫(yī)用金屬材料中應(yīng)用最廣泛的兩類材料。相對不銹鋼而言，前者更適合于制造體內(nèi)承載苛刻、耐磨性要求較高的長期植人件。其品種主要有各類人工關(guān)節(jié)及整形外科植人器械。在心臟外科、齒科等領(lǐng)域 均有應(yīng)用，詳見醫(yī)用不銹鋼。三、醫(yī)用鈦及其合金一）組成、生產(chǎn)工藝與性質(zhì)本世紀(jì) 40 年代

29、以來，隨著鈦冶煉工藝的完善，以及鈦良好的生物相容性得到證實， 鈦和鈦合金逐漸在臨床醫(yī)學(xué)中獲得應(yīng)用。 1951 年已開始用純鈦作接骨板和骨螺釘。鈦及 鈦合金的密度較小，為 45g/cm3 幾乎僅為鐵基和鋁基合金的一半，其比強度高，彈性 模量低，生物力學(xué)相容性較好；生物相容性、耐腐蝕性和抗疲勞性能都優(yōu)于不銹鋼和鉆 基合金。因此，從 70 年代中期鈦及鈦合金開始獲得廣泛的醫(yī)學(xué)應(yīng)用，成為最有發(fā)展前景 的醫(yī)用材料之一。鈦是目前已知的生物親和性最好的金屬之一，鈦易與氧反應(yīng)形成致密氧化鈦（TiO2）鈍化膜，植人后引起的組織反應(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，表現(xiàn)

30、出一定的生物活性和骨性結(jié)合能力，尤其適合于骨內(nèi)埋 植。純鈦在低于882C時為六方密排（hep）的a單相組織，力學(xué)性能較低，屈服強度為 170485 MPa抗拉強度為240550 MPa由延伸率為15%24%。隨著鈦中氧含量的增 高，純鈦的強度提高，塑性下降。氧起著固溶強化作用。此外，采用冷加工變形處理也可以提高純鈦的強度。鈦合金的研制始于宇航結(jié)構(gòu)材料開發(fā)，隨后轉(zhuǎn)人醫(yī)學(xué)應(yīng)用。最常 用的有TC4(Ti6A14V)人在室溫下具有。a十B兩相混合組織，通過固溶處理和時效處 理，可使其強度等力學(xué)性能顯著提高。表 3-5上為Ti6A14V合金的成分性能表。為了進(jìn) 一步改善鈦合金疲勞和斷裂韌性不理想，彈性模

31、量偏高，含有毒性元素釩(V)等問題,國內(nèi)外又新近開發(fā)出許多具有更好生物相容性和綜合力學(xué)性能的新型醫(yī)用鈦合金(見表3-6).表3-5 Ti6AI4V合金成分與性能(退火)v(%)Fe(%)0(%)N(%)C(%)H(%)Ti(% )彈性模量(MPa)抗拉強度(MPa)屈服強度(MPa)延 伸 率(%)余量11086070表3-6國內(nèi)外新型醫(yī)用鐵合金性能比較國別名義成分力學(xué)性能說明6 b(MPa)6 (MPa)5 (%)W (%)6 -1(MPa)K1c(MPa)E(GPa)日Ti15Mo5Zr3Al12841312114875 85低模量日7266712354相容性日9908331449相容性德

32、10339141539105以Fe 代V瑞士TiA17Nb10249211442110咼疲 勞德Ti30Ta60 80低模量、相容性美Ti3Nb13Zr103090015455350 79低模量、相容 性美Ti12Mo6Zr2Fe1000106018644188874 85低模量、相容 性美Ti15Mo3Nb(21SRx)103410001479 83低模量、相容 性美Ti35Zr10Nb105010201482100低模量、相容 性中 國TAMZ850650155043193105綜合性、相容性（二）表面處理與生物相容性鈦及鈦合金的表面鈍化處理可使材料表面生成一層保護(hù)性的氧化膜，提高抗蝕能力

33、。常用的表面鈍化處理有化學(xué)和電化學(xué)鈍化兩種工藝。鈍化后的植人器件在生理環(huán)境下均 勻腐蝕甚微。但氧化膜中的鈦仍可以以離子的形式擴散并積累于周圍組織，引起相鄰組 織的顏色呈藍(lán)灰至黑色，經(jīng)多年臨床觀察發(fā)現(xiàn)，這種組織變色反應(yīng)并不造成大的生理危 害。鈦及鈦合金缺點是硬度較低，耐磨性差。若磨損發(fā)生，首先導(dǎo)致氧化膜破壞，隨后磨損 的顆粒腐蝕產(chǎn)物進(jìn)人生物組織，尤其是 Ti6A14V合金中含有毒性的釩（V）可導(dǎo)致植人物 的失效。為了改善鈦及鈦合金的耐磨性能，可將鈦制品表面進(jìn)行高溫離子氨化及應(yīng)用離 子注人技術(shù)處理，通過引起晶格畸變，使制品表面呈壓應(yīng)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

34、高7倍和2倍，純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氨化的1/3。動物實驗表明 組織對表面滲氨鈦村反應(yīng)輕微，材料無毒性。此外，利用離子注人技術(shù)，可在鈦及合金 表面注人氮離子，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。為了改善鈦及合金與骨組織的結(jié)合性，可采用等離子噴涂和燒結(jié)法在鈦合金基材表 面上涂多孔純鈦或Ti6A14V合金涂層，有利于新骨組織長人形成機械性結(jié)合。80年代又開發(fā)了鈦合金表面等離子噴涂羥基磷灰石陶瓷涂層的技術(shù)，使鈦合金表面具有生物活性，成功用于鈦種植牙根和人工關(guān)節(jié)柄部，提高了植人物與骨組織的結(jié)合強度。近來又發(fā)展 了多種鈦合金表面改性技術(shù)，有關(guān)的研究將在第四節(jié)中介紹。（三）加工工藝鈦的冶煉和成型加工比其他生物醫(yī)用金屬材料困難，常采用雙真空或惰性氣體保護(hù) 的自耗電極熔煉法，并需嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素含量。醫(yī)用鈦合金植人件可采用精密鍛造工藝，也可采用軋制型材工藝制備，其機械性能相當(dāng)。形狀復(fù)雜的制品也可采用真空熔模 精密鑄造工藝生產(chǎn)，熱等靜壓工藝可以消除合金鑄件內(nèi)部疏松組織，使合金性能得到改 善。（四）臨床應(yīng)用鈦和