医用金属材料.pptx
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1、第三章 医用金属材料目目录录医用金属材料的特性与要求医用金属材料的特性与要求 医用金属材料的腐蚀医用金属材料的腐蚀常用医用金属材料常用医用金属材料金属与合金表面涂层处理金属与合金表面涂层处理医用金属材料概述医用金属材料概述 医用金属材料的研究进展医用金属材料的研究进展生物医用金属材料1)用于口腔、矫形外科等硬材料 如镶牙 口腔整矫 人工关节 人工骨 2)用于医疗器械(心脏瓣膜支架、凝血过滤器(Ti合金)3)用于制药晕船药(铈)抗贫血药物(铈、氧化锗)糖尿病(氧化铈)精神病(磷酸锂)去垢剂(硒)止血剂(皓)消毒剂(碲)安眠剂(铷 铯)癌症(铂铬合金)金属植入材料金属植入材料生物医用金属材料:生物
2、医用金属材料:生物医用金属材料:生物医用金属材料:优优优优良良良良的的的的力力力力学学学学性性性性能能能能、易易易易加加加加工工工工性性性性和和和和可可可可靠靠靠靠性性性性在在在在临临临临床床床床医医医医学学学学中中中中获获获获得得得得了了了了广广广广泛泛泛泛的的的的应应应应用用用用,其其其其重重重重要要要要性性性性与与与与生生生生物物物物医医医医用用用用高高高高分分分分子子子子材材材材料料料料并并并并驾驾驾驾齐齐齐齐驱驱驱驱,在在在在整整整整个个个个生生生生物物物物医医医医用用用用材材材材料料料料应应应应用用用用中中中中各各各各占占占占45%45%45%45%左右。左右。左右。左右。金属植入
3、材料金属植入材料公元前400300年,金属丝用于修复牙缺失;应用唐代:银膏补齿,成分是银、汞和锡,与银汞合金很相似。最先广泛应用于临床治疗:金、银、铂等贵金属,但以修补为主,良好化学稳定性及加工性能的最早作为植入材料:不锈钢(标准牌号302)18-8通常用于整形外科、牙科等等领域,具有治疗、修复固定和置换人体硬组织系统的功能。优势:优势:(1)(1)生物生物惰性惰性:即生物学反应最小(2)(2)优良的机械性能优良的机械性能:强度与弹性模量(与生物体匹配)强度与弹性模量(与生物体匹配)人人体体骨骨强强度度不不高高,如如股股骨骨头头的的抗抗压压强强度度仅仅为为143MPa143MPa,具具有有较较
4、低低的的弹弹性性模模量量;股股骨骨头头的的强强度度纵纵向向弹弹性性模模量量约约为为13.8GPa13.8GPa,径径向向弹弹性性模模量量为为纵纵向向的的1/31/3,其断裂韧性较高。,其断裂韧性较高。生生物物医医用用金金属属材材料料通通常常具具有有较较高高的的弹弹性性模模量量,一一般般高高出出人人体体骨骨一一个个数数量量级,即使模量较低的钛合金也高出人体骨级,即使模量较低的钛合金也高出人体骨4-54-5倍倍由由由由于于于于金金金金属属属属材材材材料料料料在在在在组组组组成成成成上上上上与与与与人人人人体体体体组组组组织织织织成成成成分分分分相相相相距距距距甚甚甚甚远远远远,很很很很难难难难与与
5、与与生生生生物物物物组组组组织织织织产产产产生生生生亲亲亲亲合合合合,一一一一般般般般不不不不具具具具有有有有生生生生物物物物活活活活性性性性,具具具具有有有有相相相相对对对对稳稳稳稳定定定定的的的的化学性能,获得一定的生物相容性。化学性能,获得一定的生物相容性。化学性能,获得一定的生物相容性。化学性能,获得一定的生物相容性。植植植植入入入入生生生生物物物物组组组组织织织织后后后后,总总总总是是是是以以以以异异异异物物物物的的的的形形形形式式式式被被被被生物组织所生物组织所生物组织所生物组织所包裹包裹包裹包裹,使之与正常组织隔绝。,使之与正常组织隔绝。,使之与正常组织隔绝。,使之与正常组织隔绝
6、。问题:问题:腐蚀与磨损金属植入材料 Fe Cr Co Ni Ti Ta Mo W体液腐蚀B2 细胞功能 有益 金属材料逐步损失力学性能下降腐蚀产物超过一定值 有毒 生物相容性下降磨损金属植入材料的毒性金属植入材料的毒性 毒性反应毒性反应毒性反应毒性反应与材料释放的化学物质和浓度有关与材料释放的化学物质和浓度有关与材料释放的化学物质和浓度有关与材料释放的化学物质和浓度有关。若若若若在材料中需引入有毒金属元素来提高其他在材料中需引入有毒金属元素来提高其他在材料中需引入有毒金属元素来提高其他在材料中需引入有毒金属元素来提高其他性能性能性能性能1 1 1 1)首首首首先先先先应应应应考考考考虑虑虑虑
7、采采采采用用用用合合合合金金金金化化化化来来来来减减减减小小小小或或或或消消消消除除除除毒毒毒毒性性性性,并并并并提提提提高高高高其其其其耐蚀性能耐蚀性能耐蚀性能耐蚀性能;2 2 2 2)其其其其次次次次采采采采用用用用表表表表面面面面保保保保护护护护层层层层和和和和提提提提高高高高光光光光洁洁洁洁度度度度等等等等方方方方法法法法来来来来提提提提高高高高抗抗抗抗蚀蚀蚀蚀性能。性能。性能。性能。金属的毒性主要金属的毒性主要金属的毒性主要金属的毒性主要作用于细胞,可抑制酶的活动,作用于细胞,可抑制酶的活动,作用于细胞,可抑制酶的活动,作用于细胞,可抑制酶的活动,阻阻阻阻止酶通过细胞膜的扩散止酶通过
8、细胞膜的扩散止酶通过细胞膜的扩散止酶通过细胞膜的扩散和和和和破坏溶酶体破坏溶酶体破坏溶酶体破坏溶酶体,一般可通过组织,一般可通过组织,一般可通过组织,一般可通过组织或或或或细胞培养、急性和慢性毒性试验、溶血试验等来检测。细胞培养、急性和慢性毒性试验、溶血试验等来检测。细胞培养、急性和慢性毒性试验、溶血试验等来检测。细胞培养、急性和慢性毒性试验、溶血试验等来检测。腐蚀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入器件的使用寿命定植入器件的使用寿命。金属植入材料的腐蚀金属植入材料的腐蚀腐蚀主要原因:腐蚀主要原因:医用金属材料植入体内后处于
9、长期浸泡在医用金属材料植入体内后处于长期浸泡在含含有机酸、碱金属或碱土金属离子(有机酸、碱金属或碱土金属离子(NaNa+、K K+、CaCa2+2+)、)、ClCl-离子离子构成的恒温(构成的恒温(3737)电解质的环境中)电解质的环境中加速:加速:蛋白质、酶和细胞的作用蛋白质、酶和细胞的作用 磨损和应力的反复作用,磨损和应力的反复作用,使材料在体内的磨损过程加剧使材料在体内的磨损过程加剧腐蚀机制:可能发生多种腐蚀机制协同作用腐蚀机制:可能发生多种腐蚀机制协同作用因此,有必要了解材料在体内环境的腐蚀机制,从而指因此,有必要了解材料在体内环境的腐蚀机制,从而指导材料的设计和加工。导材料的设计和加
10、工。金属腐蚀分两类:(1)化学腐蚀 金属表面与介质如气体或非电解质液体等因发生化学作用而引起的腐蚀,称为化学腐蚀。化学腐蚀作用进行时无电流产生。(2)电化学腐蚀 金属表面与介质如潮湿空气或电解质溶液等,因形成微电池,金属作为阳极发生氧化而使金属发生腐蚀。这种由于电化学作用引起的腐蚀称为电化学腐蚀。金属植入材料的腐蚀金属植入材料的腐蚀电化学腐蚀的例子:铜板上的铁铆钉为什么特别容易生锈?带有铁铆钉的铜板若暴露在空气中,表面被潮湿空气或雨水浸润,空气中的和海边空气中的NaCl溶解其中,形成电解质溶液,这样组成了原电池,铜作阴极,铁作阳极,所以铁很快腐蚀形成铁锈。化化学学或或电电化化学学反反应应全全部
11、部在在暴暴露露表表面面上上或或在在大大部部分分表表面面上上均均匀匀进进行行的的一一种种腐腐蚀蚀。腐腐蚀蚀产产物物及及其其进进入入人人体体环环境境中中的的金金属属离离子子总量较大,影响到材料的生物相容性总量较大,影响到材料的生物相容性。点点点点腐腐腐腐蚀蚀蚀蚀发发发发生生生生在在在在金金金金属属属属表表表表面面面面某某某某个个个个局局局局部部部部,也也也也就就就就是是是是说说说说在在在在金金金金属属属属表表表表面面面面出出出出现现现现了了了了微微微微电电电电池池池池作作作作用用用用,而而而而作作作作为为为为阳阳阳阳极极极极的的的的部部部部位位位位要要要要受受受受到到到到严严严严重重重重的的的的腐
12、腐腐腐蚀蚀蚀蚀。临床资料证实,临床资料证实,临床资料证实,临床资料证实,医用医用医用医用不锈钢发生点蚀的可能性较大。不锈钢发生点蚀的可能性较大。不锈钢发生点蚀的可能性较大。不锈钢发生点蚀的可能性较大。1.1.1.1.均匀腐蚀均匀腐蚀均匀腐蚀均匀腐蚀2.2.2.2.点腐蚀点腐蚀点腐蚀点腐蚀生物金属材料在人体生理环境下的腐蚀主要生物金属材料在人体生理环境下的腐蚀主要有八种类型:有八种类型:发发生生在在两两个个具具有有不不同同电电极极电电位位的的金金属属配配件件偶偶上上的的腐腐蚀蚀。多多见见于于两两种种以以上上材材料料制制成成的的组组合合植植入入器器件件,甚甚至至在在加加工工零零件件过过程程中中引引
13、入入的的其其他他工工具具的的微微粒粒屑屑,以以及及为为病病人人手手术术所所必必须须使使用用的的外外科科器器械械引引入入的的微微粒粒屑屑,也也可可能能引引发发电电偶偶腐腐蚀蚀。因因此此,临临床床上上建建议使用单一材料制作植入部件以及相应的手术器械、工具。议使用单一材料制作植入部件以及相应的手术器械、工具。3.3.3.3.电偶腐蚀电偶腐蚀电偶腐蚀电偶腐蚀 由于由于由于由于环境中化学成分的浓度分布不均匀引起的腐蚀环境中化学成分的浓度分布不均匀引起的腐蚀环境中化学成分的浓度分布不均匀引起的腐蚀环境中化学成分的浓度分布不均匀引起的腐蚀,属,属,属,属闭塞电池腐蚀,多发生在闭塞电池腐蚀,多发生在闭塞电池腐
14、蚀,多发生在闭塞电池腐蚀,多发生在界面部位界面部位界面部位界面部位,如接骨板和骨螺钉,不,如接骨板和骨螺钉,不,如接骨板和骨螺钉,不,如接骨板和骨螺钉,不锈钢植入器件更为常见。锈钢植入器件更为常见。锈钢植入器件更为常见。锈钢植入器件更为常见。4.4.4.4.缝隙腐蚀缝隙腐蚀缝隙腐蚀缝隙腐蚀 发生在材料内部晶粒边界上的一种腐蚀发生在材料内部晶粒边界上的一种腐蚀发生在材料内部晶粒边界上的一种腐蚀发生在材料内部晶粒边界上的一种腐蚀,可导致材料力,可导致材料力,可导致材料力,可导致材料力学性能严重下降。一般可通过减少碳、硫、磷等杂质含量等学性能严重下降。一般可通过减少碳、硫、磷等杂质含量等学性能严重下
15、降。一般可通过减少碳、硫、磷等杂质含量等学性能严重下降。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。手段来改善晶间腐蚀倾向。手段来改善晶间腐蚀倾向。手段来改善晶间腐蚀倾向。5.5.晶间腐蚀晶间腐蚀晶间腐蚀晶间腐蚀 植入器件之间切向反复的相对滑动所造成的表面磨损植入器件之间切向反复的相对滑动所造成的表面磨损植入器件之间切向反复的相对滑动所造成的表面磨损植入器件之间切向反复的相对滑动所造成的表面磨损和磨蚀环境作用所造成的腐蚀和磨蚀环境作用所造成的腐蚀和磨蚀环境作用所造成的腐蚀和磨蚀环境作用所造成的腐蚀。不锈钢的耐磨蚀能力较。不锈钢的耐磨蚀能力较。不锈钢的耐磨蚀能力较。不锈钢的耐磨蚀
16、能力较差,钴基合金的耐磨蚀能力优良。差,钴基合金的耐磨蚀能力优良。差,钴基合金的耐磨蚀能力优良。差,钴基合金的耐磨蚀能力优良。6 6 6 6.磨蚀磨蚀磨蚀磨蚀 材料在腐蚀介质中承受某些应力的循环作用所产生的材料在腐蚀介质中承受某些应力的循环作用所产生的材料在腐蚀介质中承受某些应力的循环作用所产生的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腐蚀腐蚀腐蚀,表面微裂纹和缺陷可使疲劳腐蚀加剧。因此,提高,表面微裂纹和缺陷可使疲劳腐蚀加剧。因此,提高,表面微裂纹和缺陷可使疲劳腐蚀加剧。因此,提高,表面微裂纹和缺陷可使疲劳腐蚀加剧。因此,提高表面光洁度可改善这一性能。表面光洁度可改善这一性能。表面
17、光洁度可改善这一性能。表面光洁度可改善这一性能。7.7.7.7.疲劳腐蚀疲劳腐蚀疲劳腐蚀疲劳腐蚀 在应力和腐蚀介质共同作用下出现的一种加速腐蚀的在应力和腐蚀介质共同作用下出现的一种加速腐蚀的在应力和腐蚀介质共同作用下出现的一种加速腐蚀的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行为行为行为。在裂纹尖端处可发生力学和电化学综合作用,导致。在裂纹尖端处可发生力学和电化学综合作用,导致。在裂纹尖端处可发生力学和电化学综合作用,导致。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入器件断裂失效。裂纹迅速扩展而造成植入器件断裂失效。裂纹迅速扩展而造成植入器件断裂失效。裂纹迅速扩
18、展而造成植入器件断裂失效。钛合金和不锈钢钛合金和不锈钢钛合金和不锈钢钛合金和不锈钢对应力腐蚀敏感对应力腐蚀敏感对应力腐蚀敏感对应力腐蚀敏感,而钴基合金对应力腐蚀不敏感。,而钴基合金对应力腐蚀不敏感。,而钴基合金对应力腐蚀不敏感。,而钴基合金对应力腐蚀不敏感。8.8.8.8.应力腐蚀应力腐蚀应力腐蚀应力腐蚀金属植入材料腐蚀研究金属植入材料腐蚀研究腐蚀电势与pH关系图腐蚀区:大于等于腐蚀区:大于等于1010-6-6/l/l稳定区:小于稳定区:小于1010-6-6M M钝化区:钝化区:10 10-6-6M M金属、水、反应产物平衡Cl-缺点:不能确定腐蚀速率金属植入材料腐蚀研究金属植入材料腐蚀研究腐
19、蚀速率:腐蚀失重与离子释放速率金属植入材料腐蚀研究金属植入材料腐蚀研究离子释放速率常见的金属植入材料常见的金属植入材料最早的植入材料 不锈钢302 临床问题:耐蚀性很差 不锈钢不锈钢添加Mo 改善了生理盐水中耐蚀性 316 不锈钢316不锈钢C(0.08%)下降到0.03%,提高了再氯化物中的耐蚀性316L不锈钢317L不锈钢但即使是牌号为316L的不锈钢在体内的特定环境下(如在高压或缺氧区域)也会被腐蚀。它们适合做临时装置,如骨折固定板、固定螺钉或销子.。种类表表1 3161 316和和316L316L不锈钢材料的力学性能不锈钢材料的力学性能材料材料状态状态抗拉强度抗拉强度/MPa屈服强度屈
20、服强度/MPa延伸率延伸率/%洛氏硬度洛氏硬度/HRB退火态5152054095316冷精轧62031035冷加工86069012300350退火态5051954095316L冷精轧60529535冷加工86069012表1给出了奥氏体不锈钢316和316L的力学性能。显然,退火态的材料硬度与强度较低,而经过冷加工后,高的强度和硬度。这说明此类材料可以在大范围内调节力学性能。性能表表表表2 2 金属材料成分(金属材料成分(金属材料成分(金属材料成分(ASTMASTM,19781978)元素元素元素元素316316不锈钢不锈钢不锈钢不锈钢316L316L317L317L铸钴合金铸钴合金铸钴合金铸
21、钴合金锻钴合金锻钴合金锻钴合金锻钴合金1 1级纯铁级纯铁级纯铁级纯铁钛钛钛钛-6-6铝铝铝铝-4-4钒钒钒钒铁铁铁铁钴钴钴钴铬铬铬铬镍镍镍镍钛钛钛钛铝铝铝铝钒钒钒钒碳碳碳碳锰锰锰锰磷磷磷磷硫硫硫硫硅硅硅硅钼钼钼钼钨钨钨钨氯氯氯氯氢氢氢氢氧氧氧氧其他其他其他其他 5 59 9 9 970707070 1717171720202020 12 12 12 1214141414 0.080.08 2.00 2.00 0.03 0.03 0.03 0.03 0.75 0.75 2.0 2.04.04.04.04.0 0.030.0318182020202011111111151515153.03.03.
22、03.04.04.04.04.0 0.75 0.75 57 5767676767 27 27 27 2730303030 2.5 2.5 0.350.35 1.00 1.00 0.100.105.05.07.07.07.07.0 3.0 3.0 40 4056565656 16 16 16 1621212121 9 9 9 911111111 0.050.050.150.150.150.15 2.00 2.00 0.100.10 141416161616 0.200.20余量余量余量余量 0.030.030.0150.0150.0180.0180.250.25余量余量余量余量5.55.56.5
23、6.56.56.53.43.43.43.44.54.54.54.5 0.050.050.01250.01250.130.130.400.40合计合计合计合计耐蚀性耐蚀性组成不不不不锈锈锈锈钢钢钢钢中中中中的的的的铬铬铬铬(CrCrCrCr)可可可可形形形形成成成成氧氧氧氧化化化化铬铬铬铬钝钝钝钝化化化化膜膜膜膜,改改改改善善善善抗抗抗抗腐腐腐腐蚀蚀蚀蚀能能能能力力力力;镍镍镍镍(NiNiNiNi)和和和和铬铬铬铬(CrCrCrCr)起起起起到到到到稳稳稳稳定定定定奥奥奥奥氏氏氏氏体体体体结结结结构构构构的的的的作作作作用用用用;镍镍镍镍的的的的含含含含量量量量为为为为12%12%12%12%1
24、4%14%14%14%时时时时,可可可可得得得得到到到到单单单单相相相相奥奥奥奥氏氏氏氏体体体体组组组组织织织织,防防防防止止止止转转转转化化化化为为为为其其其其他他他他性性性性能不佳的结构能不佳的结构能不佳的结构能不佳的结构。降降降降低低低低不不不不锈锈锈锈钢钢钢钢中中中中的的的的SiSiSiSi、MnMnMnMn等等等等杂杂杂杂质质质质元元元元素素素素及及及及非非非非金金金金属属属属杂杂杂杂物物物物,可可可可进进进进一一一一步步步步提高材料的抗提高材料的抗提高材料的抗提高材料的抗腐蚀腐蚀腐蚀腐蚀能力。能力。能力。能力。除组成可以影响到材料的性能外,材料的制造和加工除组成可以影响到材料的性能
25、外,材料的制造和加工除组成可以影响到材料的性能外,材料的制造和加工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较宽的范围内调节材料的力学性能和工艺同样也可以在比较宽的范围内调节材料的力学性能和工艺同样也可以在比较宽的范围内调节材料的力学性能和工艺同样也可以在比较宽的范围内调节材料的力学性能和耐腐蚀性能。耐腐蚀性能。耐腐蚀性能。耐腐蚀性能。通常采用两种工艺生产医用不锈钢。通常采用两种工艺生产医用不锈钢。通常采用两种工艺生产医用不锈钢。通常采用两种工艺生产医用不锈钢。对对对对于于于于低低低低纯纯纯纯度度度度医医医医用用用用不不不不锈锈锈锈钢钢钢钢,一一一一般般般般采采采采用用用
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