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1、医用金属材料第1页，本讲稿共67页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第2页，本讲稿共67页1 金属植入材料金属植入材料定义：定义：历史历史应用：应用：是一种用作生物医用材料的金属或合金用作生物医用材料的金属或合金，又称作外科用金属材料或医用金属材料，是一类生物惰性材料。公元前400300年，腓尼基人就将金属丝用于修复牙缺失；在中国唐代(618-907A.D.)，有用银膏补齿的记载2，
2、银膏的成分是银、汞和锡，与现代的银汞合金很相似。最先广泛应用于临床治疗的金属材料是具有良好化学稳定性及加工性能的金、银、铂等贵金属，但以修补为主，直到20世纪初，不锈钢的开发应用才使得金属材料在生物医用器材上的应用发展更为广阔。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。目前临床应用的金属植入材料主要包括：医用贵金属、医用钛、钽、铌、锆等单质金属，以及不锈钢、钴基合金、钛合金、镍钛形状记忆合金、磁性合金等。第3页，本讲稿共67页2 医用金属材料的特性与要求医用金属材料的特性与要求(1)生物相容性生物相容性:即生物学反应最小(2)优良的优良的机械性能机械性能:强
3、度与弹性模量（与生物体匹配）人体骨的强度不高，如股骨头的抗压强度仅为143MPa，具有较低的弹性模量；股骨头的强度纵向弹性模量约为13.8GPa，径向弹性模量为纵向的1/3，其断裂韧性较高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4-5倍 无不良刺激、无毒害，不引起毒性反应、免疫反应，不致癌、不致畸，无炎性反应，不引起感染，不被排斥。有助于愈合和附着。第4页，本讲稿共67页 生物医用金属材料以其优良的力学性能、易加工性和可靠性在临床生物医用金属材料以其优良的力学性能、易加工性和可靠
4、性在临床生物医用金属材料以其优良的力学性能、易加工性和可靠性在临床生物医用金属材料以其优良的力学性能、易加工性和可靠性在临床医学中获得了广泛的应用，其重要性与生物医用高分子材料并驾齐驱，医学中获得了广泛的应用，其重要性与生物医用高分子材料并驾齐驱，医学中获得了广泛的应用，其重要性与生物医用高分子材料并驾齐驱，医学中获得了广泛的应用，其重要性与生物医用高分子材料并驾齐驱，在整个生物医用材料应用中在整个生物医用材料应用中在整个生物医用材料应用中在整个生物医用材料应用中各各各各占占占占45%45%左右，由于金属材料在组成上与左右，由于金属材料在组成上与左右，由于金属材料在组成上与左右，由于金属材料在
5、组成上与人体组织成分相距甚远，因此，金属材料很难与生物组织产生亲合，人体组织成分相距甚远，因此，金属材料很难与生物组织产生亲合，人体组织成分相距甚远，因此，金属材料很难与生物组织产生亲合，人体组织成分相距甚远，因此，金属材料很难与生物组织产生亲合，一般不具有生物活性，它们通常以其相对稳定的化学性能，获得一定一般不具有生物活性，它们通常以其相对稳定的化学性能，获得一定一般不具有生物活性，它们通常以其相对稳定的化学性能，获得一定一般不具有生物活性，它们通常以其相对稳定的化学性能，获得一定的生物相容性，植入生物组织后，总是以异物的形式被生物组织所的生物相容性，植入生物组织后，总是以异物的形式被生物组
6、织所的生物相容性，植入生物组织后，总是以异物的形式被生物组织所的生物相容性，植入生物组织后，总是以异物的形式被生物组织所包包包包裹裹裹裹，使之与正常组织隔绝。组织反应一般根据植入物周围所形成的，使之与正常组织隔绝。组织反应一般根据植入物周围所形成的，使之与正常组织隔绝。组织反应一般根据植入物周围所形成的，使之与正常组织隔绝。组织反应一般根据植入物周围所形成的包膜包膜包膜包膜厚度及细胞浸润数来评价厚度及细胞浸润数来评价厚度及细胞浸润数来评价厚度及细胞浸润数来评价。美国材料试验学会的。美国材料试验学会的。美国材料试验学会的。美国材料试验学会的ASTM-F4ASTM-F4的标准规定，的标准规定，的标
7、准规定，的标准规定，金属材料埋植金属材料埋植金属材料埋植金属材料埋植6 6个月后，个月后，个月后，个月后，纤维包膜厚度纤维包膜厚度纤维包膜厚度纤维包膜厚度0.03mm0.03mm为合格为合格为合格为合格。第5页，本讲稿共67页金属材料的毒性金属材料的毒性 毒性反应与材料释放的化学物质和浓度有关。因此，若在材料毒性反应与材料释放的化学物质和浓度有关。因此，若在材料毒性反应与材料释放的化学物质和浓度有关。因此，若在材料毒性反应与材料释放的化学物质和浓度有关。因此，若在材料中需引入有毒金属元素来提高其他性能，首先应考虑中需引入有毒金属元素来提高其他性能，首先应考虑中需引入有毒金属元素来提高其他性能，
8、首先应考虑中需引入有毒金属元素来提高其他性能，首先应考虑采用合金化采用合金化采用合金化采用合金化来来来来减小或消除毒性，并提高其减小或消除毒性，并提高其减小或消除毒性，并提高其减小或消除毒性，并提高其耐蚀性能耐蚀性能耐蚀性能耐蚀性能；其次采用表面保护层和提高光；其次采用表面保护层和提高光；其次采用表面保护层和提高光；其次采用表面保护层和提高光洁度等方法来提高抗蚀性能。洁度等方法来提高抗蚀性能。洁度等方法来提高抗蚀性能。洁度等方法来提高抗蚀性能。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，阻止酶通过细胞膜作用于细胞，可抑制酶的活动，阻止酶通过细胞膜作用于细
9、胞，可抑制酶的活动，阻止酶通过细胞膜作用于细胞，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、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、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、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、溶血试验等来检测溶血试验等来检测溶血试验等来检测溶血试验等来检测。第6页，本讲稿共67页二、耐生理腐蚀性二、耐生理腐蚀性 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入器件的使用寿命。医用金属
10、材料植入体内后处于长期浸泡定植入器件的使用寿命。医用金属材料植入体内后处于长期浸泡在在含有有机酸、碱金属或碱土金属离子（含有有机酸、碱金属或碱土金属离子（Na+、K+、Ca2+）、）、Cl离子等构成的恒温（离子等构成的恒温（37）电解质的环境中）电解质的环境中，加之蛋白质、酶和，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，细胞的作用，其环境异常恶劣，材料腐蚀机制复杂。此外，磨损和磨损和应力的应力的反复作用，使材料在生物体内的磨损过程加剧，可能发反复作用，使材料在生物体内的磨损过程加剧，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生多种腐蚀机制协同作用的情
11、况。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。生物医用金内环境的腐蚀机制，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：属材料在人体生理环境下的腐蚀主要有八种类型：第7页，本讲稿共67页 化学或电化学反应全部在化学或电化学反应全部在暴露表面上或在大部分表面上均匀暴露表面上或在大部分表面上均匀进行的一种腐蚀进行的一种腐蚀。腐蚀产物及其进入人体环境中的金属离子总量较。腐蚀产物及其进入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。大，影响到材料的生物相容性。点腐蚀发生在金属表面某个局部，也就是说在金属表面出现了点腐蚀发生在金属表面某
12、个局部，也就是说在金属表面出现了点腐蚀发生在金属表面某个局部，也就是说在金属表面出现了点腐蚀发生在金属表面某个局部，也就是说在金属表面出现了微电池作用微电池作用微电池作用微电池作用，而作为阳极的部位要受到严重的腐蚀。临床资料证实，而作为阳极的部位要受到严重的腐蚀。临床资料证实，而作为阳极的部位要受到严重的腐蚀。临床资料证实，而作为阳极的部位要受到严重的腐蚀。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.均匀腐蚀均匀腐蚀均匀腐蚀均匀腐蚀2.2.点腐蚀点腐蚀点腐蚀点腐蚀第8页，本讲稿共67页 发生在两
13、个具有不同电极电位的金属配件偶上的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。多见于两种以上材料制成的组合植入器件上材料制成的组合植入器件，甚至在加工零件过程中引入的其他工具的，甚至在加工零件过程中引入的其他工具的微粒屑，以及为病人手术所必须使用的外科器械引入的微粒屑，也可微粒屑，以及为病人手术所必须使用的外科器械引入的微粒屑，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入部件以及能引发电偶腐蚀。因此，临床上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。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
14、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，属闭，属闭，属闭，属闭塞电池腐蚀，多发生在塞电池腐蚀，多发生在塞电池腐蚀，多发生在塞电池腐蚀，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，不锈钢植入器，如接骨板和骨螺钉，不锈钢植入器，如接骨板和骨螺钉，不锈钢植入器，如接骨板和骨螺钉，不锈钢植入器件更为常见。件更为常见。件更为常见。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第9页，本讲稿共67页 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
15、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，可导致材料力学性能，可导致材料力学性能，可导致材料力学性能，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严重下降。一般可通过减少碳、硫、磷等杂质含量等手段来改严重下降。一般可通过减少碳、硫、磷等杂质含量等手段来改严重下降。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。善晶间腐蚀倾向。善晶间腐蚀倾向。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和磨蚀环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植入器件之间切向反复的相
16、对滑动所造成的表面磨损和磨蚀环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境作用所造成的腐蚀境作用所造成的腐蚀境作用所造成的腐蚀。不锈钢的耐磨蚀能力较差，钴基合金的耐磨。不锈钢的耐磨蚀能力较差，钴基合金的耐磨。不锈钢的耐磨蚀能力较差，钴基合金的耐磨。不锈钢的耐磨蚀能力较差，钴基合金的耐磨蚀能力优良。蚀能力优良。蚀能力优良。蚀能力优良。6.6.6.6.磨蚀磨蚀磨蚀磨蚀第10页，本讲稿共67页 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材料在腐蚀介质中承受某些应力
17、的循环作用所产生的腐蚀，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。改善这一性能。改善这一性能。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行为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。在裂纹。在裂纹。在裂纹尖端处可发生力
18、学和电化学综合作用，导致裂纹迅速扩展而造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。成植入器件断裂失效。成植入器件断裂失效。成植入器件断裂失效。钛合金和不锈钢对应力腐蚀敏感钛合金和不锈钢对应力腐蚀敏感钛合金和不锈钢对应力腐蚀敏感钛合金和不锈钢对应力腐蚀敏感，而钴基，而钴基，而钴基，而钴基合金对应力腐蚀不敏感。合金对应力腐蚀不敏感。合金对应力腐蚀不敏感。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第11页，本讲稿共67页3 常用医用金
19、属材料常用医用金属材料3.1 不锈钢不锈钢医用不锈钢（医用不锈钢（医用不锈钢（医用不锈钢（stainless steel as biomedical materialstainless steel as biomedical materialstainless steel as biomedical materialstainless steel as biomedical material）为铁基耐）为铁基耐）为铁基耐）为铁基耐蚀合金，是最早开发的生物医用合金之一，以其蚀合金，是最早开发的生物医用合金之一，以其蚀合金，是最早开发的生物医用合金之一，以其蚀合金，是最早开发的生物医用合金之一，以
20、其易加工、价格低易加工、价格低易加工、价格低易加工、价格低廉廉廉廉而得到广泛的应用，其中应用最多的是奥氏体超低碳而得到广泛的应用，其中应用最多的是奥氏体超低碳而得到广泛的应用，其中应用最多的是奥氏体超低碳而得到广泛的应用，其中应用最多的是奥氏体超低碳316L316L316L316L和和和和317L317L317L317L不锈钢。表不锈钢。表不锈钢。表不锈钢。表3-23-23-23-2为常用医用金属材料的成分表，相应的机械性能见表为常用医用金属材料的成分表，相应的机械性能见表为常用医用金属材料的成分表，相应的机械性能见表为常用医用金属材料的成分表，相应的机械性能见表3-13-13-13-1 奥氏
21、体不锈钢是在铁-铬系统中再加入8%以上的镍形成铁-铬-镍三元合金，随着碳含量的增加，强度大幅度地提高，抗腐蚀性能优异，常作为生物材料选用。20世纪50年代，316不锈钢的碳含量由0.08%降低为0.03%，进一步提高了其在含Cl溶液体系中的耐蚀性能，降低了材料致敏性，这就是常见的316L不锈钢第12页，本讲稿共67页表表表表3-2 3-2 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不不不不锈钢锈钢锈钢锈钢316L316L317L317L铸钴铸钴铸钴铸钴合金合金合金合金锻钴锻钴锻钴锻钴合金合金合金合金1 1级纯铁级纯铁
22、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 0.030.0318182020202011111111151515153.03.03.03.04.04.04.04.0 0.75 0.75 5
23、7 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5.55.56.56.56.56.53.43.43.43.44.54.54
24、.54.5 0.050.050.01250.01250.130.130.400.40合合合合计计计计第13页，本讲稿共67页 表3.1 316和316L不锈钢材料的力学性能材料材料状状态态抗拉抗拉强强度度/MPa屈服屈服强强度度/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3.1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，材料可以具有更高的强度和硬度。这说明此类材料可以在大
25、范围内调节力学性能。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.。第14页，本讲稿共67页 不锈钢中的铬（不锈钢中的铬（不锈钢中的铬（不锈钢中的铬（CrCrCrCr）可形成氧化铬钝化膜，改善抗腐蚀能力；）可形成氧化铬钝化膜，改善抗腐蚀能力；）可形成氧化铬钝化膜，改善抗腐蚀能力；）可形成氧化铬钝化膜，改善抗腐蚀能力；镍（镍（镍（镍（NiNiNiNi）和铬（）和铬（）和铬（）和铬（CrCrCrCr）起到稳定奥氏体结构的作用；镍的含量为）起到稳定奥氏体结构的作用；镍的含量为）起到稳定奥氏体结构的作用；镍的含量为）
26、起到稳定奥氏体结构的作用；镍的含量为12%12%12%12%14%14%14%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。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。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。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，降低不锈钢中的此外，降低不锈钢中的此外，降低不锈钢中的此外，降低不锈钢中的SiSiSiSi、MnMnMnMn等杂质元素及非金属家杂物，可进一步等杂质元素及非金属家杂物，可进一步等杂质元素及非金属家杂物，可进一步等杂质元素及非金属家杂物，可进一步提高材料的抗腐蚀能力。提高材料的抗腐蚀能力
27、。提高材料的抗腐蚀能力。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耐腐蚀性能。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。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。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。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
28、锈钢。第15页，本讲稿共67页 对于对于对于对于低纯低纯低纯低纯度医用不锈钢，一般采用度医用不锈钢，一般采用度医用不锈钢，一般采用度医用不锈钢，一般采用惰性气体保护，真空或非惰性气体保护，真空或非惰性气体保护，真空或非惰性气体保护，真空或非真空熔炼工艺生产真空熔炼工艺生产真空熔炼工艺生产真空熔炼工艺生产。而。而。而。而高纯高纯高纯高纯度医用不锈钢一般先通过度医用不锈钢一般先通过度医用不锈钢一般先通过度医用不锈钢一般先通过真空熔炼，然后真空熔炼，然后真空熔炼，然后真空熔炼，然后再用真空电弧炉重熔或电渣重熔除去杂质再用真空电弧炉重熔或电渣重熔除去杂质再用真空电弧炉重熔或电渣重熔除去杂质再用真空电弧
29、炉重熔或电渣重熔除去杂质，使其钝化。，使其钝化。，使其钝化。，使其钝化。临床应用较多的临床应用较多的临床应用较多的临床应用较多的高纯度医用不锈钢高纯度医用不锈钢高纯度医用不锈钢高纯度医用不锈钢，通常先后经，通常先后经，通常先后经，通常先后经热加工、冷加工热加工、冷加工热加工、冷加工热加工、冷加工和机械加工制作成各种医疗器件和机械加工制作成各种医疗器件和机械加工制作成各种医疗器件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。冷加工可大幅度提高医用不锈钢的。冷加工可大幅度提高医用不锈钢的。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
30、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，可提高器件表面光洁度，有助于消除材料表面易腐蚀及应力集中隐患，提高提高器件表面光洁度，有助于消除材料表面易腐蚀及应力集中隐患，提高提高器件表面光洁度，有助于消除材料表面易腐蚀及应力集中隐患，提高提高器件表面光洁度，有助于消除材料表面易腐蚀及应力集中隐患，提高不锈钢植入器件的使用寿命。不锈钢植入器件的使用寿命。不锈钢植入器件的使用寿命。不锈钢植入器件的使用寿命。第16页，本讲稿共67页2.2.生物相容性生物相
31、容性 医用不锈钢的生物相容性与其在机体内的腐蚀行为及其所造成的腐蚀医用不锈钢的生物相容性与其在机体内的腐蚀行为及其所造成的腐蚀医用不锈钢的生物相容性与其在机体内的腐蚀行为及其所造成的腐蚀医用不锈钢的生物相容性与其在机体内的腐蚀行为及其所造成的腐蚀产物所引起的组织反应有关。其腐蚀行为涉及均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐产物所引起的组织反应有关。其腐蚀行为涉及均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐产物所引起的组织反应有关。其腐蚀行为涉及均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐产物所引起的组织反应有关。其腐蚀行为涉及均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、磨蚀和疲劳腐蚀。蚀、晶间腐蚀、磨蚀和疲劳腐蚀。蚀、晶间腐蚀、磨蚀和疲劳腐蚀。蚀、晶间
32、腐蚀、磨蚀和疲劳腐蚀。由于腐蚀会造成金属离子或其他化合物进入周围的组织或整个机体由于腐蚀会造成金属离子或其他化合物进入周围的组织或整个机体由于腐蚀会造成金属离子或其他化合物进入周围的组织或整个机体由于腐蚀会造成金属离子或其他化合物进入周围的组织或整个机体，因而可在机体内引起某些不良组织学反应，如出现水肿、感染、组，因而可在机体内引起某些不良组织学反应，如出现水肿、感染、组，因而可在机体内引起某些不良组织学反应，如出现水肿、感染、组，因而可在机体内引起某些不良组织学反应，如出现水肿、感染、组织坏死等，从而导致疼痛和过敏反应等。在多数情况下，人体只能容织坏死等，从而导致疼痛和过敏反应等。在多数情况
33、下，人体只能容织坏死等，从而导致疼痛和过敏反应等。在多数情况下，人体只能容织坏死等，从而导致疼痛和过敏反应等。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，尽量避免不锈钢在机体内的腐蚀和磨损的和器件设计等多方面着手，尽量避免不锈钢在机体内的腐蚀和磨损的和器件设计等多方面着手，尽量避免不锈钢在机体内的腐蚀和磨损的和器件设计等多方面着手，尽量避免不锈钢在机体内
34、的腐蚀和磨损的发生。发生。发生。发生。第17页，本讲稿共67页3.3.临床应用临床应用 （1 1）人工关节和骨折内固定器械。如人工全髋关节、半）人工关节和骨折内固定器械。如人工全髋关节、半髋关节、膝关节、监管杰、肘关节、腕关节及指关节。各种规髋关节、膝关节、监管杰、肘关节、腕关节及指关节。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、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，这些植入件可替代生物体因关鲁氏棒、人工椎体和颅骨板等，这些植入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，节炎或外伤损坏的关节，应用于骨
35、折修复，骨排列错位校正，慢性脊柱矫形和颅骨缺损修复等。慢性脊柱矫形和颅骨缺损修复等。（2 2 2 2）在齿科方面，医用不锈钢被广泛应用于镶牙、齿科矫形、）在齿科方面，医用不锈钢被广泛应用于镶牙、齿科矫形、）在齿科方面，医用不锈钢被广泛应用于镶牙、齿科矫形、）在齿科方面，医用不锈钢被广泛应用于镶牙、齿科矫形、牙根种植及辅助器件。如各种齿冠、齿桥、固定支架、卡环、基托牙根种植及辅助器件。如各种齿冠、齿桥、固定支架、卡环、基托牙根种植及辅助器件。如各种齿冠、齿桥、固定支架、卡环、基托牙根种植及辅助器件。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、义齿和额骨缺损修复等。等；
36、各种规格的嵌件、牙列矫形弓丝、义齿和额骨缺损修复等。等；各种规格的嵌件、牙列矫形弓丝、义齿和额骨缺损修复等。等；各种规格的嵌件、牙列矫形弓丝、义齿和额骨缺损修复等。第18页，本讲稿共67页 （3 3 3 3）在心血管系统，医用不锈钢广泛应用于各种植入电极、）在心血管系统，医用不锈钢广泛应用于各种植入电极、）在心血管系统，医用不锈钢广泛应用于各种植入电极、）在心血管系统，医用不锈钢广泛应用于各种植入电极、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；各种传感器的外壳和合金导线，可
37、制作不锈钢的人工心脏瓣膜；各种临床介入性治疗的血管内扩张支架等。临床介入性治疗的血管内扩张支架等。临床介入性治疗的血管内扩张支架等。临床介入性治疗的血管内扩张支架等。（4 4 4 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）医用不锈钢在其他方面也获得了广泛的应用，如用于各种）医用不锈钢在其他方面也获得了广泛的应用，如用于各种）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眼科缝线、固定环、人工眼导线、
38、眼眶填充等；还用于制作人工耳导线等。线等。线等。线等。第19页，本讲稿共67页3.2医用钴基合金医用钴基合金（一）组成与性能（一）组成与性能（一）组成与性能（一）组成与性能 最早开发的医用钴基合金（最早开发的医用钴基合金（最早开发的医用钴基合金（最早开发的医用钴基合金（cobalt alloy as biomedical cobalt alloy as biomedical cobalt alloy as biomedical cobalt alloy as biomedical materialmaterialmaterialmaterial）为钴铬钼（）为钴铬钼（）为钴铬钼（）为钴铬钼（C
39、o-Cr-MoCo-Cr-MoCo-Cr-MoCo-Cr-Mo）合金，其结构为）合金，其结构为）合金，其结构为）合金，其结构为奥氏体奥氏体奥氏体奥氏体。以其优良。以其优良。以其优良。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。其造性能广泛得到应用。其造性能广泛得到应用。其造性能广泛得到应用。其耐蚀性比不锈钢强数耐蚀性比不锈钢强数耐蚀性比不锈钢强数耐蚀性比不锈钢强数10101010倍倍倍倍，
40、硬度比不锈钢硬度比不锈钢硬度比不锈钢硬度比不锈钢高高高高1/31/31/31/3（见表（见表（见表（见表2-12-12-12-1）。因此，适合制作人工关节、义齿等磨蚀较大的）。因此，适合制作人工关节、义齿等磨蚀较大的）。因此，适合制作人工关节、义齿等磨蚀较大的）。因此，适合制作人工关节、义齿等磨蚀较大的医用器件。医用器件。医用器件。医用器件。50505050年代开始用于人工髋关节的制造。年代开始用于人工髋关节的制造。年代开始用于人工髋关节的制造。年代开始用于人工髋关节的制造。第20页，本讲稿共67页 由于铸造退火钴铬钼合金的力学性能有限，随后又相继开发了由于铸造退火钴铬钼合金的力学性能有限，随
41、后又相继开发了由于铸造退火钴铬钼合金的力学性能有限，随后又相继开发了由于铸造退火钴铬钼合金的力学性能有限，随后又相继开发了锻锻锻锻造钴铬钨镍造钴铬钨镍造钴铬钨镍造钴铬钨镍（Co-Cr-W-NiCo-Cr-W-NiCo-Cr-W-NiCo-Cr-W-Ni）合金和锻造钴铬钼合金；为了改善钴）合金和锻造钴铬钼合金；为了改善钴）合金和锻造钴铬钼合金；为了改善钴）合金和锻造钴铬钼合金；为了改善钴铬钼合金的疲劳破坏问题，铬钼合金的疲劳破坏问题，铬钼合金的疲劳破坏问题，铬钼合金的疲劳破坏问题，70707070年代又开发出具有良好疲劳性能的锻年代又开发出具有良好疲劳性能的锻年代又开发出具有良好疲劳性能的锻年代
42、又开发出具有良好疲劳性能的锻造钴镍钼钨铁（造钴镍钼钨铁（造钴镍钼钨铁（造钴镍钼钨铁（Co-Ni-Cr-Mo-W-FeCo-Ni-Cr-Mo-W-FeCo-Ni-Cr-Mo-W-FeCo-Ni-Cr-Mo-W-Fe）合金和具有多相组织的）合金和具有多相组织的）合金和具有多相组织的）合金和具有多相组织的MP35NMP35NMP35NMP35N钴钴钴钴镍铬钼合金。表镍铬钼合金。表镍铬钼合金。表镍铬钼合金。表2-32-32-32-3、表、表、表、表2-42-42-42-4分别给出了典型钴基合金的成分和性分别给出了典型钴基合金的成分和性分别给出了典型钴基合金的成分和性分别给出了典型钴基合金的成分和性能。
43、此外，精密铸造含钛的钴基合金也有应用，如商品牌号能。此外，精密铸造含钛的钴基合金也有应用，如商品牌号能。此外，精密铸造含钛的钴基合金也有应用，如商品牌号能。此外，精密铸造含钛的钴基合金也有应用，如商品牌号为为为为TitaronTitaronTitaronTitaron和和和和TitaliumTitaliumTitaliumTitalium等。等。等。等。第21页，本讲稿共67页表表表表3-3 3-3 钴基合金成分钴基合金成分钴基合金成分钴基合金成分 第22页，本讲稿共67页种种类类状状态态屈服屈服强强度度(MPa)抗拉抗拉强强度度(MPa)延伸率延伸率(%)疲疲劳劳强强度度(MPa)铸态515
44、7259.0250CoCrMo固溶退火533114315.0280锻造962150728.0897退火(ASTM)4506658.0退火35086260.0345CoCrWMo冷加工1310151012.0586退火(ASTM)31086010.0CoNiCrMo固溶退火240655795100050.0冷加工时效158517908.0退火27560050.0CoNiCrMoWFe冷加工828100018.0退火(ISO)27660050.0Co基合金如同其他合金材料一样，强度提高的同时降低了塑性。其弹性模量不随极限抗拉强度的变化而变化的。弹性模量范围从220GPa到234GPa。铸造和锻造合
45、金都具有优良的抗蚀性能。表中四种钴基合金，只有钴铬钼合金可以在铸态下直接应用，其他三类均为医用锻造钴基合金。表3.2 典型钴基合金性能第23页，本讲稿共67页（二）制造工艺与力学性能（二）制造工艺与力学性能 医用钴基合金的制造加工方法主要有医用钴基合金的制造加工方法主要有医用钴基合金的制造加工方法主要有医用钴基合金的制造加工方法主要有精密铸造、机械变形加工和粉末精密铸造、机械变形加工和粉末精密铸造、机械变形加工和粉末精密铸造、机械变形加工和粉末冶金冶金冶金冶金三种三种三种三种。精密铸造多用于制造形状复杂的制品，钴铬钼合金具有较宽的力精密铸造多用于制造形状复杂的制品，钴铬钼合金具有较宽的力学性能
46、，在大多数情况下可满足临床的要求。在需要时也可采用学性能，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力学性能，但后者成本昂贵而很少采用。，但后者成本昂贵而很少采用。第24页，本讲稿共67页机械变形加工可使合金的铸态结构破碎，并得到晶粒细微的纤维状组机械变形加工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又热轧、轧制、挤压、和冲织，提高力学性能。常用的机械加工工艺又热轧、轧制、挤压、和冲压。同铸造钴铬钼合金相比，锻造钴基合金力学性能更优
47、越（见表压。同铸造钴铬钼合金相比，锻造钴基合金力学性能更优越（见表2-2-4 4）。）。锻造钴基合金的人工髋关节在人体内发生疲劳断裂的概锻造钴基合金的人工髋关节在人体内发生疲劳断裂的概率大大减少。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，但其品。为了提高烧结体的密度，多采用热等静压烧结工艺，但其品。为了提高烧结体的密度，多采用热等静压烧结工艺，但其品。为
48、了提高烧结体的密度，多采用热等静压烧结工艺，但其成成成成本高本高本高本高，应用受到限制。，应用受到限制。，应用受到限制。，应用受到限制。第25页，本讲稿共67页（三）生物相容性（三）生物相容性 钴基合金在人体内多保持钴基合金在人体内多保持钴基合金在人体内多保持钴基合金在人体内多保持钝化状态钝化状态钝化状态钝化状态，很少见腐蚀现象，与不锈，很少见腐蚀现象，与不锈，很少见腐蚀现象，与不锈，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，它也是所有钢相比，其钝化膜
49、更稳定，耐蚀性更好。从耐磨性看，它也是所有医医医医用金属材料中最好用金属材料中最好用金属材料中最好用金属材料中最好的，一般认为植入人体后没有明显的组织学反的，一般认为植入人体后没有明显的组织学反的，一般认为植入人体后没有明显的组织学反的，一般认为植入人体后没有明显的组织学反应。但用铸造钴基合金制作的人工髋关节在体内的松动率较高，应。但用铸造钴基合金制作的人工髋关节在体内的松动率较高，应。但用铸造钴基合金制作的人工髋关节在体内的松动率较高，应。但用铸造钴基合金制作的人工髋关节在体内的松动率较高，其原因是由于金属磨损腐蚀造成其原因是由于金属磨损腐蚀造成其原因是由于金属磨损腐蚀造成其原因是由于金属磨
50、损腐蚀造成CoCoCoCo、NiNiNiNi等离子溶出等离子溶出等离子溶出等离子溶出，在体内引起，在体内引起，在体内引起，在体内引起巨细胞及细胞核组织坏死，从而导致患者巨细胞及细胞核组织坏死，从而导致患者巨细胞及细胞核组织坏死，从而导致患者巨细胞及细胞核组织坏死，从而导致患者疼痛以及关节松动疼痛以及关节松动疼痛以及关节松动疼痛以及关节松动、下沉。钴、镍、铬还可产生皮肤过敏反应，其中以钴最为严重。下沉。钴、镍、铬还可产生皮肤过敏反应，其中以钴最为严重。下沉。钴、镍、铬还可产生皮肤过敏反应，其中以钴最为严重。下沉。钴、镍、铬还可产生皮肤过敏反应，其中以钴最为严重。第26页，本讲稿共67页（四）临床