医用材料在医学中的应用.ppt

医用材料在医学中的应用医用材料在医学中的应用张张 洪洪 武汉大学人民医院药学部武汉大学人民医院药学部个人介绍个人介绍 张张 洪洪 武汉大学人民医院药品试剂科主任武汉大学人民医院药品试剂科主任 硕士研究生导师硕士研究生导师 研究方向研究方向:药物新剂型药物新剂型生物材料在医学中的应用生物材料在医学中的应用生物材料：指生物体材料和各种医用、特别是对生生物材料：指生物体材料和各种医用、特别是对生 物体进行诊断、治疗、置换和增进某受物体进行诊断、治疗、置换和增进某受 损组织和器官的功能性材料。其作用药损组织和器官的功能性材料。其作用药 物不可替代物不可替代包括：生物体材料（包括：生物体材料（biological material）生物医用材料（生物医用材料（biomedical material）生物体材料一般都是具体组成某种细胞的成分，生物体材料一般都是具体组成某种细胞的成分，如纤维蛋白、胶原蛋白、磷脂和糖蛋白等如纤维蛋白、胶原蛋白、磷脂和糖蛋白等 生物材料学是研究用于修复人体缺陷的各类材料生物材料学是研究用于修复人体缺陷的各类材料的基本结构、基本特性、生物性能和人体组织及器官的基本结构、基本特性、生物性能和人体组织及器官对材料的反应，从基本原理上探索生物材料与细胞间对材料的反应，从基本原理上探索生物材料与细胞间的相互作用，研究材料过程的相互作用，研究材料过程-材料结构材料结构-材料性能之间材料性能之间的关系的关系 生物医学材料指的是一类具有特殊性能、特种功能，用生物医学材料指的是一类具有特殊性能、特种功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患，而对于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患，而对人体组织不会产生不良影响的材料。现在各种合成和天然高人体组织不会产生不良影响的材料。现在各种合成和天然高分子材料、金属和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各种复合分子材料、金属和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各种复合材料，其制成产品已经被广泛地应用于临床和科研材料，其制成产品已经被广泛地应用于临床和科研 即即与医学诊断、治疗有关的一类功能性材料与医学诊断、治疗有关的一类功能性材料 随着科技发展，高分子材料在各行各业的应用日渐广随着科技发展，高分子材料在各行各业的应用日渐广泛，医学领域也不例外。医用材料包括泛，医学领域也不例外。医用材料包括:高分子材料高分子材料:聚乙烯、聚丙烯等聚乙烯、聚丙烯等 金属材料：金属材料：不锈钢、钛合金等不锈钢、钛合金等 陶瓷材料：陶瓷材料：氧化铝、氧化钛等氧化铝、氧化钛等 复合材料：复合材料：金属金属-陶瓷复合材料等陶瓷复合材料等 生物衍生材料：生物衍生材料：活性生物组织等活性生物组织等生物医用生物医用高分子材料高分子材料:是生物医学材料中发展最早、应用最广泛、是生物医学材料中发展最早、应用最广泛、用量最大的材料。既来源于天然，又可以人工合成。用量最大的材料。既来源于天然，又可以人工合成。分为非降解型和可降解型两类分为非降解型和可降解型两类非降解型：要求在生物环境中能长期保持稳定，不发生降解、非降解型：要求在生物环境中能长期保持稳定，不发生降解、交联或物理磨损等，并具良好的物理机械性能。交联或物理磨损等，并具良好的物理机械性能。包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、芳香聚酯、聚硅包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、芳香聚酯、聚硅 氧烷、聚甲醛等。主要用于人工脏器、骨和牙齿、肌氧烷、聚甲醛等。主要用于人工脏器、骨和牙齿、肌 腱和韧带、血管、皮肤等组织及器官的修复和构造腱和韧带、血管、皮肤等组织及器官的修复和构造可降解型：主要包括胶原、甲壳素、纤维素、氨基酸、聚乳酸、可降解型：主要包括胶原、甲壳素、纤维素、氨基酸、聚乳酸、聚乙醇酸等。主要用于组织工程支架材料和药物缓释聚乙醇酸等。主要用于组织工程支架材料和药物缓释 系统系统生物医用生物医用金属材料金属材料：用于生物医学材料的金属或合金，又称：用于生物医学材料的金属或合金，又称 外科用金属材料，是一类惰性材料。具有高机械强度和外科用金属材料，是一类惰性材料。具有高机械强度和 抗疲劳性能，是目前临床应用最广泛的一类材料，其应抗疲劳性能，是目前临床应用最广泛的一类材料，其应 用范围涉及硬组织、软组织、人工器官、外科辅助器材用范围涉及硬组织、软组织、人工器官、外科辅助器材 等等问题：由于生理环境的腐蚀，会造成金属离子向周围组织扩散问题：由于生理环境的腐蚀，会造成金属离子向周围组织扩散 及植入材料自身性质的蜕变，前者可能导致毒副作用，及植入材料自身性质的蜕变，前者可能导致毒副作用，后者导致植入失败后者导致植入失败常用材料：不锈钢、钛合金、钴合金、钽、铌、锆等常用材料：不锈钢、钛合金、钴合金、钽、铌、锆等生物医用生物医用陶瓷材料陶瓷材料：此类材料性能稳定，具良好的生物相容性，：此类材料性能稳定，具良好的生物相容性，能耐高温、耐腐蚀、抗氧化性和很高的机械强度。主要能耐高温、耐腐蚀、抗氧化性和很高的机械强度。主要 用于骨和牙齿、承重关节等硬组织的修复和替换，生物用于骨和牙齿、承重关节等硬组织的修复和替换，生物 碳可以用作血液接触材料，如人工心脏瓣膜等碳可以用作血液接触材料，如人工心脏瓣膜等问题：脆性大、韧性低问题：脆性大、韧性低常用材料：氧化铝、氧化钛、生物碳、生物玻璃、羟基磷灰石、常用材料：氧化铝、氧化钛、生物碳、生物玻璃、羟基磷灰石、磷酸钙陶瓷等磷酸钙陶瓷等复合生物材料复合生物材料：由基体材料与增强材料或功能材料组成，它们之：由基体材料与增强材料或功能材料组成，它们之 间相互配合或组合，形成大量性质各异的复合生物材料。间相互配合或组合，形成大量性质各异的复合生物材料。复合材料的某些性能比各组成相的性能有较大程度的提复合材料的某些性能比各组成相的性能有较大程度的提 高，主要用于制成人工器官、修复或替换人体组织、器高，主要用于制成人工器官、修复或替换人体组织、器 官，增进或替代其功能官，增进或替代其功能常用基体材料：医用高分子材料、医用碳素材料、生物玻璃、玻常用基体材料：医用高分子材料、医用碳素材料、生物玻璃、玻 璃陶瓷、医用不锈钢、钴基合金等璃陶瓷、医用不锈钢、钴基合金等常用增强材料：碳纤维、不锈钢或钴基合金、生物玻璃陶瓷等常用增强材料：碳纤维、不锈钢或钴基合金、生物玻璃陶瓷等生物衍生材料生物衍生材料：是天然生物组织经过特殊处理而：是天然生物组织经过特殊处理而 形成的医用材料，可取自同种或异种动物形成的医用材料，可取自同种或异种动物 体的组织细胞，可作为修复和替代材料体的组织细胞，可作为修复和替代材料 主要用于人工心脏瓣膜、血管修复、人工皮主要用于人工心脏瓣膜、血管修复、人工皮 肤、骨修复、鼻软骨种植体等肤、骨修复、鼻软骨种植体等 问题：问题：1.1.材料本身性质材料本身性质 化学稳定性、力学性能化学稳定性、力学性能 2.2.与身体融合程度与身体融合程度 生物相容性生物相容性 3.3.其他其他 手术技术、患者健康状况等手术技术、患者健康状况等生物医用材料必须满足以下的基本要求：生物医用材料必须满足以下的基本要求：（1 1）与组织短期接触无急性毒性、无致敏作用、无致）与组织短期接触无急性毒性、无致敏作用、无致炎作用、无致癌作用和其他不良反应炎作用、无致癌作用和其他不良反应 （2 2）具有良好的耐腐蚀性能以及相应的生物力学性能）具有良好的耐腐蚀性能以及相应的生物力学性能和良好的加工性能和良好的加工性能 （3 3）对于体内使用的医用材料，除了必须满足以上的）对于体内使用的医用材料，除了必须满足以上的基本要求外，还必须具有良好的组织相容性、血液适应性基本要求外，还必须具有良好的组织相容性、血液适应性和适宜的耐生物降解性和适宜的耐生物降解性生物材料的性能生物材料的性能生物功能性生物功能性 生物相容性生物相容性 生物功能性生物功能性 指生物材料具备或完成某种生物功能时应该具有的一系列性能指生物材料具备或完成某种生物功能时应该具有的一系列性能 根据用途主要分为根据用途主要分为:承受或传递负载功能。如人造骨骼、关节和牙等，占主导地位承受或传递负载功能。如人造骨骼、关节和牙等，占主导地位 控制血液或体液流动功能。如人工瓣膜、血管等控制血液或体液流动功能。如人工瓣膜、血管等 电、光、声传导功能。如心脏起博器、人工晶状体、耳蜗等电、光、声传导功能。如心脏起博器、人工晶状体、耳蜗等 填充功能。如整容手术用填充体等填充功能。如整容手术用填充体等生物相容性生物相容性 生物相容性生物相容性(biocompatibility)(biocompatibility)指生物材料与生物体指生物材料与生物体间的相互作用结果以及生物体对这种结果的忍受程度间的相互作用结果以及生物体对这种结果的忍受程度 国际标准化组织国际标准化组织(ISO)(ISO)提出，生物相容性指生命组织提出，生物相容性指生命组织对非活材料产生合乎要求反应的一种性能对非活材料产生合乎要求反应的一种性能 药用高分子材料因伴随药物进入体内，有些暂停留于药用高分子材料因伴随药物进入体内，有些暂停留于体内，有些则在体内降解、吸收，因此药用高分子材料生体内，有些则在体内降解、吸收，因此药用高分子材料生物相容性要求更加苛刻物相容性要求更加苛刻 包括：包括：血液相容性血液相容性 有无溶血、凝血、破坏血液成分等有无溶血、凝血、破坏血液成分等 组织相容性组织相容性 能否对周围组织产生毒性、致畸、癌变等能否对周围组织产生毒性、致畸、癌变等 力学相容性力学相容性 植入材料的强度、硬度与组织的适应性等植入材料的强度、硬度与组织的适应性等生物相容性生物相容性 生物相容性评价体系生物相容性评价体系 国际标准国际标准ISO10093ISO10093 题目题目“医疗器械生物学评价医疗器械生物学评价”，共，共1212部分部分 我国国家标准我国国家标准GB/T16886GB/T16886 题目题目“医疗器械生物相容性评价体系医疗器械生物相容性评价体系”，共，共1616项项生物相容性生物相容性生物体对生物材料的响应宿主反应生物体对生物材料的响应宿主反应（1 1）生物学反应）生物学反应 A A:血液反应血液反应 1 1、血小板血栓、血小板血栓 2 2、凝血系统激活、凝血系统激活 3 3、纤溶系统激活、纤溶系统激活 4 4、溶血反应、溶血反应 5 5、白细胞反应、白细胞反应 6 6、细胞因子反应、细胞因子反应 7 7、蛋白粘附、蛋白粘附 B:B:免疫反应免疫反应 1 1、补体激活、补体激活 2 2、体液免疫反应、体液免疫反应（抗原抗体反应）（抗原抗体反应）3 3、细胞免疫反、细胞免疫反C:C:组织反应组织反应 1 1、炎症反应；、炎症反应；2 2、细胞粘附、细胞粘附 3 3、细胞增殖（异常、细胞增殖（异常分化）分化）4 4、形成蘘膜、形成蘘膜 5 5、细胞质的转变、细胞质的转变（2 2）生物体对生物反应的变化生物体对生物反应的变化1.1.急性全身反应急性全身反应 过敏、毒性、溶血、发热、神经麻痹等过敏、毒性、溶血、发热、神经麻痹等2.2.慢性全身反应慢性全身反应 毒性、致畸、免疫、功能障碍等毒性、致畸、免疫、功能障碍等3.3.急性局部反应急性局部反应 炎症、血栓、坏死、排异等炎症、血栓、坏死、排异等4.4.慢性局部反应慢性局部反应 致癌、钙化、炎症、溃疡等致癌、钙化、炎症、溃疡等材料在生物体内的响应材料反应材料在生物体内的响应材料反应 材料反应，其结果可导致材料结构破材料反应，其结果可导致材料结构破坏和性质改变而丧失其功能。可分为如下坏和性质改变而丧失其功能。可分为如下三个方面：三个方面：金属腐蚀金属腐蚀 聚合物降解聚合物降解 磨损磨损金属腐蚀金属腐蚀 生物体内的腐蚀性环境生物体内的腐蚀性环境：（：（1 1）含盐的溶）含盐的溶液是极好的电解质，促进了电化学腐蚀和水解；液是极好的电解质，促进了电化学腐蚀和水解；（2 2）组织中存在具有催化或迅速破坏外来成分）组织中存在具有催化或迅速破坏外来成分能力的多种分子和细胞，对生物金属材料产生能力的多种分子和细胞，对生物金属材料产生腐蚀腐蚀金属腐蚀金属腐蚀 对于生物材料而言多为局部腐蚀，具体包括应力腐蚀对于生物材料而言多为局部腐蚀，具体包括应力腐蚀开裂、点腐蚀、晶间腐蚀、腐蚀疲劳以及缝隙腐蚀等，导开裂、点腐蚀、晶间腐蚀、腐蚀疲劳以及缝隙腐蚀等，导致生物材料整体破坏致生物材料整体破坏 虽然金属材料在生物体内保持惰性状态，但仍然可能虽然金属材料在生物体内保持惰性状态，但仍然可能会有物质溶入生物组织中，并对生物体组织产生毒性反应，会有物质溶入生物组织中，并对生物体组织产生毒性反应，造成组织的损害造成组织的损害聚合物降解聚合物降解 聚合物在长期使用过程中，由于受到氧、聚合物在长期使用过程中，由于受到氧、热、紫外线、机械、水蒸气、酸碱及微生物等因热、紫外线、机械、水蒸气、酸碱及微生物等因素作用，逐渐失去弹性，出现裂纹，变硬、变脆素作用，逐渐失去弹性，出现裂纹，变硬、变脆或变软、发粘、变色等，从而使它的物理机械性或变软、发粘、变色等，从而使它的物理机械性能越来越差的现象能越来越差的现象聚合物降解聚合物降解 聚合物老化易形成碎片、颗粒、小分子量单体物质，聚合物老化易形成碎片、颗粒、小分子量单体物质，因此使用它时必须谨慎，对耐久性器件，必须保持一定强因此使用它时必须谨慎，对耐久性器件，必须保持一定强度和其它机械性能，老化产物不能对周围组织有毒害作用度和其它机械性能，老化产物不能对周围组织有毒害作用 例如，医用缝合线降解时会产生酸性物质，如果量少，例如，医用缝合线降解时会产生酸性物质，如果量少，很容易被人体中的化学物质中和，如果老化产物较大，则很容易被人体中的化学物质中和，如果老化产物较大，则会对周围组织产生损害会对周围组织产生损害磨磨 损损 人工关节常用材料为人工关节常用材料为Ti6Al4VTi6Al4V，由于表面易氧化生成由于表面易氧化生成TiOTiO2 2，其其耐磨性差，植入人体后，磨损耐磨性差，植入人体后，磨损造成造成在关节周围组织形成黑褐色稠在关节周围组织形成黑褐色稠物，从而引起疼痛。钛合金人工全髋关节平均寿命一般都低于物，从而引起疼痛。钛合金人工全髋关节平均寿命一般都低于1010年年 目前，大量的人工髋关节是由坚硬的金属或陶瓷的股骨头与超目前，大量的人工髋关节是由坚硬的金属或陶瓷的股骨头与超高分子聚乙烯的髋臼杯组合成，然而它的寿命也不超过高分子聚乙烯的髋臼杯组合成，然而它的寿命也不超过2525年。长年。长期随访资料显示，假体失败的主要原因是超高分子聚乙烯磨损颗期随访资料显示，假体失败的主要原因是超高分子聚乙烯磨损颗粒所造成的界面骨溶解，从而导致假体松动。这种磨损颗粒所导粒所造成的界面骨溶解，从而导致假体松动。这种磨损颗粒所导致的异物巨细胞反应，又称颗粒病，是晚期失败的最主要原因致的异物巨细胞反应，又称颗粒病，是晚期失败的最主要原因 一、医用金属材料一、医用金属材料 在生物医学材料中，金属材料应用最早，已有数百在生物医学材料中，金属材料应用最早，已有数百年的历史。唐代就用银汞合金（主要成份：汞、银、铜、年的历史。唐代就用银汞合金（主要成份：汞、银、铜、锡、锌）来补牙锡、锌）来补牙 医用金属材料是指一类用作生物材料的金属（一般医用金属材料是指一类用作生物材料的金属（一般不用纯金属）或合金，又称外科用金属材料。它是一类不用纯金属）或合金，又称外科用金属材料。它是一类生物惰性材料生物惰性材料 合金是由一种金属跟其他一种或几种金属（或金属合金是由一种金属跟其他一种或几种金属（或金属跟非金属）一起熔合而成的具有金属特性的物质跟非金属）一起熔合而成的具有金属特性的物质人体环境特点人体环境特点体液是质量分数约为体液是质量分数约为1%1%的的NaClNaCl、少、少量其它盐类及有机化合物的充气溶液。量其它盐类及有机化合物的充气溶液。有人说人体与温暖的海水相似有人说人体与温暖的海水相似在人体的不同部位，甚至同一部位不在人体的不同部位，甚至同一部位不同时刻，人体组织内体液的成分不一同时刻，人体组织内体液的成分不一样样电化学腐蚀的基本规律对人体环境电化学腐蚀的基本规律对人体环境中的植入材料的腐蚀完全适用中的植入材料的腐蚀完全适用人体体人体体液环境液环境 由体液由体液构成构成 多种多样多种多样的的 电解质溶电解质溶液液 还有其他的腐蚀形式，如晶间腐蚀（不锈钢最易还有其他的腐蚀形式，如晶间腐蚀（不锈钢最易发生的腐蚀形式）、应力腐蚀、微动腐蚀等发生的腐蚀形式）、应力腐蚀、微动腐蚀等均匀腐蚀均匀腐蚀点腐蚀点腐蚀电偶腐蚀电偶腐蚀缝隙腐蚀缝隙腐蚀磨损腐蚀磨损腐蚀腐蚀疲劳腐蚀疲劳医用金属材料医用金属材料人体环境可能发生的腐蚀形式：人体环境可能发生的腐蚀形式：均匀腐蚀是指接触腐蚀介质的金属表面全部产均匀腐蚀是指接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象生腐蚀的现象 。大面积发生，以金属离子形式进。大面积发生，以金属离子形式进入人体组织里的量还是相当可观，影响生物相容性，入人体组织里的量还是相当可观，影响生物相容性，增加病人的痛苦甚至危及生命增加病人的痛苦甚至危及生命 点腐蚀是一种腐蚀集中在金属（合金点腐蚀是一种腐蚀集中在金属（合金)表面数表面数十微米范围内且向纵深发展的腐蚀行式。形成条十微米范围内且向纵深发展的腐蚀行式。形成条件：钝化膜，特殊离子，电位差件：钝化膜，特殊离子，电位差均匀腐蚀均匀腐蚀点腐蚀点腐蚀医用金属材料医用金属材料 缝隙腐蚀是指连接处出现狭窄的缝隙，电解质缝隙腐蚀是指连接处出现狭窄的缝隙，电解质溶液进入，使缝内金属与缝外金属构成短路原电池，溶液进入，使缝内金属与缝外金属构成短路原电池，并且在缝内发生强烈局部腐蚀。多零件植入装置中，并且在缝内发生强烈局部腐蚀。多零件植入装置中，大约有大约有50%50%遭受缝隙腐蚀遭受缝隙腐蚀 电偶腐蚀是由于腐蚀电位不同，造成同一介质电偶腐蚀是由于腐蚀电位不同，造成同一介质中异种金属接触处的局部腐蚀中异种金属接触处的局部腐蚀 。在多个零件构成的。在多个零件构成的植入装置中，选用的材料不同就容易产生电偶腐蚀。植入装置中，选用的材料不同就容易产生电偶腐蚀。手术时也要注意手术时也要注意电偶腐蚀电偶腐蚀缝隙腐蚀缝隙腐蚀医用金属材料医用金属材料 腐蚀疲劳是指金属材料在交变应力的共同作用下腐蚀疲劳是指金属材料在交变应力的共同作用下产生的断裂现象。腐蚀疲劳裂纹总是从植入器件表面产生的断裂现象。腐蚀疲劳裂纹总是从植入器件表面发生，所以可以对植入器件喷丸处理提高疲劳寿命发生，所以可以对植入器件喷丸处理提高疲劳寿命 磨损腐蚀是由于植入器件之间反复的相对的滑磨损腐蚀是由于植入器件之间反复的相对的滑动所造成的动所造成的 表面磨损与腐蚀环境的综合作用结果。表面磨损与腐蚀环境的综合作用结果。磨损腐蚀造成点蚀坑或颗粒形状的斑疤磨损腐蚀造成点蚀坑或颗粒形状的斑疤磨损腐蚀磨损腐蚀腐蚀疲劳腐蚀疲劳要要求求有足够的力学强度和抗疲劳性能有足够的力学强度和抗疲劳性能 有极好的耐腐蚀性能有极好的耐腐蚀性能,无磁性无磁性 必须无毒、无致癌性与过敏反应必须无毒、无致癌性与过敏反应 具有良好的光洁度具有良好的光洁度4123 材料易于制造材料易于制造,价格适当价格适当5医用金属材料医用金属材料常见医用金属材料及特点（优点）常见医用金属材料及特点（优点）良好的稳定性良好的稳定性和加工性能。因和加工性能。因其价格较贵其价格较贵,广泛广泛应用受到限制应用受到限制较硬富有弹性较硬富有弹性,可起到可起到矫形或支撑作用矫形或支撑作用.其优其优良的生物相容性、耐良的生物相容性、耐腐蚀、耐磨性、无毒腐蚀、耐磨性、无毒 无毒、质轻、无毒、质轻、强度高、生物相强度高、生物相容性好优点容性好优点 良好的耐腐良好的耐腐蚀性能和综合蚀性能和综合力学性能力学性能,且且加工工艺简便加工工艺简便耐腐蚀和力学性能耐腐蚀和力学性能综合衡量综合衡量,它是最优它是最优良的材料之一良的材料之一医用金属材料在诸多生物材料医用金属材料在诸多生物材料中中 ,由于具有较高强度和韧性由于具有较高强度和韧性 ,适用于修复和置换人体硬组适用于修复和置换人体硬组医用金属材料医用金属材料 该材料是临床应用最广泛的承力植入材料，由于有较高该材料是临床应用最广泛的承力植入材料，由于有较高的强度和韧性，已成为骨和牙齿等硬组织修复和替换、心血的强度和韧性，已成为骨和牙齿等硬组织修复和替换、心血管和软组织修复以及人工器官制造的主要材料管和软组织修复以及人工器官制造的主要材料 目前在临床使用的医用金属材料主要有目前在临床使用的医用金属材料主要有不锈钢不锈钢、钴基合钴基合金金和和钛基合金钛基合金三大类，另外还有三大类，另外还有记忆合金记忆合金、贵金属以及纯金、贵金属以及纯金属钽、铌和锆等属钽、铌和锆等医用金属材料医用金属材料 常用医用金属材料：常用医用金属材料：不锈钢不锈钢 钴（钴（CoCo）基合金基合金 钛（钛（TiTi）基合金基合金 形状记忆合金形状记忆合金 贵金属贵金属 纯金属钽纯金属钽纯金属铌纯金属铌 纯金属铬纯金属铬不不 锈锈 钢钢 19261926年，年，不锈钢不锈钢（1818Cr-8NiCr-8Ni）作为第一种作为第一种不锈钢不锈钢植植入材料用于外科，替代了较易腐蚀的钢，入材料用于外科，替代了较易腐蚀的钢，19431943年，美国年，美国又推荐又推荐302302型型不锈钢不锈钢用于骨折固定，后来加入钼的用于骨折固定，后来加入钼的18-18-8 8sMosMo不锈钢不锈钢（316316）的应用，进一步改善了材料的抗腐）的应用，进一步改善了材料的抗腐蚀性能。蚀性能。19501950年，将年，将不锈钢不锈钢中所含的碳量中所含的碳量最大限度地降最大限度地降低至低至0.08%-0.03%0.08%-0.03%，从而研制出具有较好抗腐蚀性能的，从而研制出具有较好抗腐蚀性能的316316L L不锈钢不锈钢（L L代表低碳含量）代表低碳含量）不锈钢不锈钢组成组成 主要由铁、铬、镍、钼和锰等合金元素组成，铬是不锈钢具有抗蚀主要由铁、铬、镍、钼和锰等合金元素组成，铬是不锈钢具有抗蚀性能的主要因素，它起作用的含量应超过性能的主要因素，它起作用的含量应超过11%11%（质量分数），铬是一种（质量分数），铬是一种活性元素，在不锈钢表面很容易形成氧化铬，具有优异的抗腐蚀能力活性元素，在不锈钢表面很容易形成氧化铬，具有优异的抗腐蚀能力 奥氏体不锈钢的组成（余额铁奥氏体不锈钢的组成（余额铁%）类型类型 C/%Cr/%Ni/%C/%Cr/%Ni/%MnMn/%/%其他元素其他元素/%/%301 0.15 16-18 6-8 2.0 1.0 301 0.15 16-18 6-8 2.0 1.0SiSi 304 0.07 17-19 8-11 2.0 7.0Si 304 0.07 17-19 8-11 2.0 7.0Si316316，18-8sMo 0.07 16-18 10-14 2.0 2-3Mo18-8sMo 0.07 16-18 10-14 2.0 2-3Mo，1.0Si1.0Si 316L 0.03 16-18 10-14 2.0 2-3Mo 316L 0.03 16-18 10-14 2.0 2-3Mo，0.75Si0.75Si 430F 0.08 16-18 1.0-1.5 1.5 1.0Si 430F 0.08 16-18 1.0-1.5 1.5 1.0Si，0-6Mn0-6Mn不锈钢不锈钢种类种类铁素体铁素体不锈钢：含铬量从不锈钢：含铬量从13%-30%，含碳量低于，含碳量低于0.25%，一般用于耐腐，一般用于耐腐 蚀性高而强度较低的构建，所以不适合作为生物材料应用蚀性高而强度较低的构建，所以不适合作为生物材料应用马氏体不锈钢：马氏体不锈钢：含铬量为含铬量为12%-15%，并加入，并加入0.15%-1.0%的碳，由于含的碳，由于含 碳量增加，可经热处理以提高其硬度和强度，但易引起晶间碳量增加，可经热处理以提高其硬度和强度，但易引起晶间 腐蚀，抗腐蚀性不如铁素体不锈钢和腐蚀，抗腐蚀性不如铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢，故作为奥氏体不锈钢，故作为 生物材料应用受到一定限制生物材料应用受到一定限制奥氏体不锈钢：是在铁奥氏体不锈钢：是在铁-铬系统中再加入铬系统中再加入8%8%以上的镍形成铁以上的镍形成铁-铬铬-镍三元镍三元 合金，镍的加入可以提高抗腐蚀性，常作为生物材料选用合金，镍的加入可以提高抗腐蚀性，常作为生物材料选用沉淀硬化不锈钢：是含有多种元素（如铝、铜、钛、钼等）的合金沉淀硬化不锈钢：是含有多种元素（如铝、铜、钛、钼等）的合金不锈钢不锈钢的的应用应用 医用不锈钢具有良好的生物相容性，力学性能较好，广泛应用于矫形外医用不锈钢具有良好的生物相容性，力学性能较好，广泛应用于矫形外科、骨科和齿科的修复，如接骨板、骨螺钉、人工关节（髋关节、膝关节）、科、骨科和齿科的修复，如接骨板、骨螺钉、人工关节（髋关节、膝关节）、齿冠、齿科矫形等。齿冠、齿科矫形等。医用不锈钢耐腐蚀性及强度都不如钴基合金，在植入人体以后，由于腐医用不锈钢耐腐蚀性及强度都不如钴基合金，在植入人体以后，由于腐蚀或磨损等原因造成表面的钝化层或保护层发生破坏，其中金属离子很容易蚀或磨损等原因造成表面的钝化层或保护层发生破坏，其中金属离子很容易富集于植入物附近的组织中，影响生物体的正常代谢。同时其密度和弹性与富集于植入物附近的组织中，影响生物体的正常代谢。同时其密度和弹性与人体硬组织相差较大，长期植入稳定性不好。另外，镍离子是一种潜在的致人体硬组织相差较大，长期植入稳定性不好。另外，镍离子是一种潜在的致敏因子，镍离子在生物体内植入物附近的富集可能诱发毒性效应，发生细胞敏因子，镍离子在生物体内植入物附近的富集可能诱发毒性效应，发生细胞破坏和发炎反应，对生物体有致畸、致癌的危害性，西方许多国家针对镍的破坏和发炎反应，对生物体有致畸、致癌的危害性，西方许多国家针对镍的危害早已制定和颁布相关文件和标准来限制生物医用金属中的镍含量危害早已制定和颁布相关文件和标准来限制生物医用金属中的镍含量 基于上述原因，不锈钢作为医用材料应用的比例呈下降趋势基于上述原因，不锈钢作为医用材料应用的比例呈下降趋势钴基合金钴基合金 由由65%65%的钴（的钴（CoCo）和和35%35%的铬（的铬（Cr Cr）组成，在合金中加入其他不同的元组成，在合金中加入其他不同的元素如碳、钼、镍、钨、铁性能不同，弹性模量不同，但都与素如碳、钼、镍、钨、铁性能不同，弹性模量不同，但都与316316不锈钢大致不锈钢大致相同，是钛的相同，是钛的2 2倍。目前，倍。目前，Co-Cr-MoCo-Cr-Mo合金已纳入合金已纳入ISO5582/4ISO5582/4标准，我国于标准，我国于19901990年将其列入年将其列入GB12417-90GB12417-90标准。标准。含有较高的铬和钼，又称钴铬钼合金，具有极为优异的耐腐蚀性（比不含有较高的铬和钼，又称钴铬钼合金，具有极为优异的耐腐蚀性（比不锈钢高锈钢高4040倍）和耐磨性，综合力学性能和生物相容性良好，可通过精密铸造倍）和耐磨性，综合力学性能和生物相容性良好，可通过精密铸造成形状复杂的精密修复体，有硬、中、软三种类型成形状复杂的精密修复体，有硬、中、软三种类型钴基合金钴基合金 钴基合金钴基合金生物相容性好，临床长期应用无明显不良副反应，其物理和化学性能均生物相容性好，临床长期应用无明显不良副反应，其物理和化学性能均能满足医学需要能满足医学需要 临床上主要用于：临床上主要用于：人工关节（特别是人体中受载荷最大的人工关节（特别是人体中受载荷最大的 髋关节）髋关节）人工骨及骨科内处固定器件的制造人工骨及骨科内处固定器件的制造 齿科修复中的义齿，各种铸造冠、嵌体齿科修复中的义齿，各种铸造冠、嵌体及固定桥的制造及固定桥的制造 心血管外科及整形科等心血管外科及整形科等 由于其价格较高，加工困难，应用尚不普及由于其价格较高，加工困难，应用尚不普及 钴基合金钴基合金中的中的CoCo、NiNi等离子在体内会溶出，等离子在体内会溶出，引起皮肤过敏和毒性反应，造成组织坏死和植入引起皮肤过敏和毒性反应，造成组织坏死和植入 物的松动物的松动 人造髋关节的头杆部分。从股骨上端插人造髋关节的头杆部分。从股骨上端插进金属杆，杆头有一个金属头，它嵌进金属杆，杆头有一个金属头，它嵌在粘于髋骨窝中的一个塑料臼中在粘于髋骨窝中的一个塑料臼中 钛（钛（TiTi）基合金基合金 临临床床应应用用广广泛泛，其其质质轻轻、比比强强度度高高、力力学学性性质质接接近近人人骨骨、强强度度远远低低于于纯纯钛钛，耐耐疲疲劳劳、耐耐蚀蚀性性均均优优于于不不锈锈钢钢和和钴钴基基合合金金，且且生生物相容性和表面活性好，是较为理想的一种植入材料物相容性和表面活性好，是较为理想的一种植入材料 抗抗断断裂裂强强度度较较低低，耐耐磨磨性性能能不不尽尽人人意意，加加工工困困难难。冶冶炼炼及及成成型工艺复杂，要求条件较高型工艺复杂，要求条件较高 主主要要用用于于：修修补补颅颅骨骨，制制成成钛钛网网或或钛钛箔箔用用于于修修复复脑脑膜膜和和腹腹膜膜、人人工工骨骨、关关节节、牙牙和和矫矫形形物物、人人工工心心脏脏瓣瓣膜膜支支架架、人人工工心心脏脏部部件件和和脑脑止止血血夹夹、口口腔腔颌颌面面矫矫形形颌颌修修补补、手手术术器器械械、医医疗疗仪仪器器颌颌人人工工假肢等假肢等髋关节髋关节 钛制金属件（有上百种）钛制金属件（有上百种）股骨头股骨头肱骨肱骨颅骨颅骨肘关节肘关节肩关节肩关节掌指关节掌指关节颌骨颌骨心辨膜心辨膜肾辨膜肾辨膜血管血管扩张器扩张器夹板夹板假体假体紧固螺钉紧固螺钉膝关节膝关节 研发现状：研发现状：据报道，世界上每年有近千吨医用型钛及钛合金材料用于制据报道，世界上每年有近千吨医用型钛及钛合金材料用于制造人体植入物，其中造人体植入物，其中 80%80%的是的是Ti-6Al-4VTi-6Al-4V钛合金钛合金 随着医用型随着医用型 Ti-6Al-4VTi-6Al-4V钛合金应用发展，开发出具有高断裂韧钛合金应用发展，开发出具有高断裂韧性，低裂纹扩展的低间隙元素型性，低裂纹扩展的低间隙元素型Ti-6Al-4V ELITi-6Al-4V ELI钛合金钛合金 材料学界专家积极开发无铝、钒的新型钛合金，如：材料学界专家积极开发无铝、钒的新型钛合金，如：Ti-13Nb-Ti-13Nb-13Zr13Zr钛合金（钛合金（ASTM F1713-1996ASTM F1713-1996）、）、Ti-12Nb-6Zr-2FeTi-12Nb-6Zr-2Fe钛合金钛合金（ASTM F1813-1996ASTM F1813-1996）、）、Ti-5Al-2.5FeTi-5Al-2.5Fe钛合金、钛合金、Ti-6Al-7NbTi-6Al-7Nb钛合金钛合金 未证明未证明 Ti-6Al-4VTi-6Al-4V钛合金制品在人体中的危害作用，从综合性能、钛合金制品在人体中的危害作用，从综合性能、良好的变形加工与价格定位上看，良好的变形加工与价格定位上看，Ti-6Al-4VTi-6Al-4V合金仍然是至今为合金仍然是至今为止最理想的人体植入物金属材料止最理想的人体植入物金属材料形状记忆合金形状记忆合金 记忆合金记忆合金是是形状记忆，形状记忆，形状记忆合金形状记忆合金（SMASMA）是指经过一定塑性变形后，能在一定条件下自动恢是指经过一定塑性变形后，能在一定条件下自动恢复其原始形状的一种新型的功能材料复其原始形状的一种新型的功能材料 目前已发现有目前已发现有2020多种记忆合金，其中以镍钛合多种记忆合金，其中以镍钛合金在临床上应用最大金在临床上应用最大形状记忆合金形状记忆合金形状记忆合金可以分为三种形状记忆合金可以分为三种:（1 1）单程记忆效应）单程记忆效应 形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。（2 2）双程记忆效应）双程记忆效应 某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。忆效应。（3 3）全程记忆效应）全程记忆效应 加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。为全程记忆效应。目前已开发成功的形状记忆合金有目前已开发成功的形状记忆合金有Ti-NiTi-Ni基形状记忆合金、铜基形状记忆合基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、铁基形状记忆合金等金、铁基形状记忆合金等形状记忆合金形状记忆合金 镍钛记忆合金具有优异的生物相容性、较好的力学性能，具镍钛记忆合金具有优异的生物相容性、较好的力学性能，具有抗蚀性、耐磨性，抗疲劳性高，弹性模量与人骨较相近，因此，有抗蚀性、耐磨性，抗疲劳性高，弹性模量与人骨较相近，因此，镍钛记忆合金已成为医学领域中一种理想的生物材料镍钛记忆合金已成为医学领域中一种理想的生物材料 医用记忆合金应用于临床时，一般将临界转变温度控制在体医用记忆合金应用于临床时，一般将临界转变温度控制在体温或室温附近。临界转变温度可以通过改变记忆合金的组分来调节温或室温附近。临界转变温度可以通过改变记忆合金的组分来调节（合金形变成为易于手术操作植入人体内的形状，以利于进行植入手术，当植入固合金形变成为易于手术操作植入人体内的形状，以利于进行植入手术，当植入固定后，记忆合金在体内逐渐到达临界转变温度（定后，记忆合金在体内逐渐到达临界转变温度（3737）时，合金就恢复到原来预先）时，合金就恢复到原来预先设计好的固定形状，并体现出其功能设计好的固定形状，并体现出其功能）形状记忆合金形状记忆合金医学应用：医学应用：Ti-NiTi-Ni合金的生物相容性很好，利用其形状记忆效应和合金的生物相容性很好，利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、超弹性的医学实例相当多。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、避孕器、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等避孕器、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等形状记忆合金形状记忆合金 由胆管癌、肝癌、胰腺癌及转移癌等恶性肿由胆管癌、肝癌、胰腺癌及转移癌等恶性肿瘤所致的恶性胆道梗阻，发病率较高，发现时常常瘤所致的恶性胆道梗阻，发病率较高，发现时常常已是晚期。将支架植入到狭窄或阻塞部位是目前治已是晚期。将支架植入到狭窄或阻塞部位是目前治疗胆道梗阻的较好方法，目前应用最广泛的胆道支疗胆道梗阻的较好方法，目前应用最广泛的胆道支架钛和镍形状记忆合金制成的编织网状，形状为直架钛和镍形状记忆合金制成的编织网状，形状为直圆柱和一端或两端为喇叭口。胆道支架术治疗恶性胆道梗阻圆柱和一端或两端为喇叭口。胆道支架术治疗恶性胆道梗阻,属于微创治疗，可属于微创治疗，可重复，能有效地解除恶性胆道梗阻，其效果可与外科分流术相媲美重复，能有效地解除恶性胆道梗阻，其效果可与外科分流术相媲美胆胆道道支支架架形状记忆合金形状记忆合金 记忆合金在常温下会恢复原记记忆合金在常温下会恢复原记忆形状，对骨折自动抱合，无需螺钉、忆形状，对骨折自动抱合，无需螺钉、钢丝等辅助材料，减少手术步骤及强钢丝等辅助材料，减少手术步骤及强度度 抓握式抓握式接骨板接骨板聚聚髌髌爪爪二、医用陶瓷材料二、医用陶瓷材料 由离子键或共价键结合、含有金属与非金属元素的由离子键或共价键结合、含有金属与非金属元素的复杂化合物和固溶体。复杂化合物和固溶体。具有良好的化学稳定性及物理、化学和力学性能具有良好的化学稳定性及物理、化学和力学性能 表现为硬度高、熔点高、导电性及导热性较低，是表现为硬度高、熔点高、导电性及导热性较低，是很好的绝缘材料很好的绝缘材料 缺点为韧性差，脆性极大，抵抗内部裂纹扩展的能缺点为韧性差，脆性极大，抵抗内部裂纹扩展的能力很低，易发生脆性断裂力很低，易发生脆性断裂医用陶瓷材料医用陶瓷材料 生物医用陶瓷材料的稳定性和生