常用医用金属材料
概述
生物医用金属材料(biomedical metallic materials)用于整形外科、牙科等领域。由它制成的医疗器件植人人体内，具有治疗、修复、替代人体组织或器官的功能，是生物医用材料的重要组成部分。
生物医用金属材料是人类最早利用的生物医用材料之一，其应用可以追溯到公元前400～300年，那时的腓尼基人就已将金属丝用于修复牙缺失。1546年纯金薄片被用于修复缺损的颅骨。直到1880年成功地利用贵金属银对病人的膝盖骨进行缝合，1896年利用镀镍钢螺钉进行骨折治疗后，才开始了对金属医用材料的系统研究。本世纪30年代，随着钻铬合金、不锈钢和钛及合金的相继开发成功并在齿科和骨科中得到广泛的应用，奠定了金属医用材料在生物医用材料中的重要地位。70年代，Ni-Ti形状记忆合金在临床医学中的成功应用以及金属表面生物医用涂层材料的发展，使生物医用金属材料得到了极大的发展，成为当今整形外科等临床医学中不可缺少的材料。虽然近20年来生物医用金属材料相对于生物医用高分子材料、复合材料以及杂化和衍生材料的发展比较缓慢，但它以其高强度、耐疲劳和易加工等优良性能，仍在临床上占有重要地位。目前，在需承受较高荷载的骨、牙部位仍将其视为首选的植人材料。最重要的应用有：骨折内固定板、螺钉、人工关节和牙根种植体等。
生物医用金属材料要在人体内生理环境条件下长期停留并发挥其功能，其首要条件是材料必须具有相对稳定的化学性能，从而获得适当的生物相容性。迄今为止，除医用贵金属、医用钛、袒、锯、铅等单质金属外，其他生物医用金属材料都是合金，其中应用较多的有：不锈钢、钴基合金、钛合金、镍钛形状记忆合金和磁性合金等。
第一节生物医用金属材料的特性与生物相容性
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，在整个生物医用材料应用中各占45％左右。由于金属材料在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，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，植人生物组织后，总是以异物的形式被生物组织所包裹，使之与正常组织隔绝。组织反应一般根据植人物周围所形成的包膜厚度及细胞浸润数来评价。美国材料试验学会的ASTM-F4的标准规定：金属材料埋植6个月后，纤维包膜厚度＜0．03mm为合格。
人体体液约合l％氯化钠及少量其他盐类和有机化合物，局部酸碱性经常略有变化，温度保持在37℃左右，这种环境对金属材料会产生腐蚀，其腐蚀产物可能是离子、氧化物、氯化物等，它们与邻近的组织接触，甚至渗人正常组织或整个生物系统中，对正常组织产生影响和刺激、以引起包括组织非正常生长、畸变、过敏或炎症、感染等不良生物反应，甚至诱发癌变。腐蚀作用同时会使材料的力学性能产生衰减，这两种过程通常单独或协同造成材料的失效。因此，作为生物医用金属材料，首先必须满足两个基本条件：第一是无毒性；第二是耐生理腐蚀性。
一、金属材料的毒性
生物医用金属材料植人人体后，一般希望能在体内永久或半永久地发挥生理功能，所谓半永久对于金属人工关节来说至少在15年以上，在这样一个相当长的时间内，金属表面或
多或少会有离子或原子因腐蚀或磨损进人周围生物组织，因此，材料是否对生物组织有毒就成为选择材料的必要条件。当然，某些有毒的金属单质与其他金属元素形成合金后，可以减小甚至消除毒性。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％铬则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；其次采用表面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。其中基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内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：
1．均匀腐蚀
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进行的一种腐蚀。腐蚀产物及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
点腐蚀发生在金属表面某个局部，也就是说在金属表面出现了微电池作用，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，以及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及相应的手术器械、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
发生在材料内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表面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，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。
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、杂质元素的含量以及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，由于腐蚀与材料表面和环境有关，还必须重视改善材料的表观质量，如提高光洁度等，避免制品在形状、力学设计及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内"服役"，如人工关节、人工椎体、骨折内固定钢板、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。若要使人工髋关节的使用寿命保持在15年以上，则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。要避免断裂发生，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基础上，提出用于制作人工髓关节的医用金属材料力学性能的基本要求：屈服强度不低于450 MPa,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
金属弹性模量
(GPa)
抗张强度
(MPa)
屈服强度
(MPa)
延伸率
（%)
疲劳极限
(MPA)
硬度 (维
氏)
316 不锈
钢
200600～700240～30035～65260～280170～200 316L不锈
钢
200540～620200～25050～60260～280170～200铸钴合金2006554508316300
锻钴合金230900～1540380～10508～6024～483265～450纯铁110405～550345～48515～18310240
钛-6铝-4
钒
12489683010～11551380
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，则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牢固的结合，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及合金材料(如钛及其合金)表面活化的研究，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表面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应，导致磨损局部周围组织的炎症、毒性反应等。金属易于磨损的原因之一是金属内部的滑移系统较多，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表面
的能力，也可理解为在固体表面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，则可能损害材料的其他特性，通常采用表面处理的方法来使材料表面晶化，使滑移受到阻碍，从而提高材料的表面硬度。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，应尽量避免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陶瓷材料，用金属做关节柄，陶瓷（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（stainless steel as biomedical material）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内晶粒间的腐蚀。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）
元素316不锈
钢
316L317L
铸钴合
金
锻钴合
金
1级纯钛
钛-6铝-4
铂
铁59～70≤0.75≤3.0≤0.20≤0.25钴—57～6740～56——
铬17～2018～2027～3016～21——
镍12～1411～15≤2.59～11——钛———余量余量铝———— 5.5～6.5钒———— 3.4～4.5
碳≤0.08≤0.03≤0.350.05～
0.15
——
锰≤2.00≤1.00≤2.00——磷≤0.03————硫≤0.03————硅≤0.75≤0.10≤0.10——
钼 2.0～4.03.0～
4.0
5.0～
7.0
———
钨——14～16——
氯———≤0.03≤0.05
氢———≤0.015≤0.0125
氧———≤0.018≤0.13
其
他
0.40合计
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等杂质元素及非金属夹杂物，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。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及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及磨损，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及本身无生物活性，难于和生物组织形成牢固的结合等原因，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及简便的加工工艺和低成本在骨科、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．人工关节和骨折内固定器械。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、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内扩张支架等。
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、各种宫内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（cobalt alloy as bilmedical material）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，精密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（％）
种
类
元素
铸造
CoCrMo
锻造CoCrWNi
热等静
压
CoCrMo
锻造
CoCrWNi
锻造
(ISO)CoNiCrMoWFe
锻造
MP35N(ISO)
Ni＜2.5＜1.00.149.0～
11.0
15.0～25.033.0～37.0
Cr 26.5～
30.0
26～2827～30
19.0～
21.0
18.0～22.019.0～21.0
Mo 4.5～
7.0
5～7 5.81— 3.0～4.09.0～10.5
W———14.0～
16.0
3.0～
4.0—
Fe＜1.0＜0.750.15＜3.0 4.0～6.0＜1.0 Ti————0.5～3.5—
C＜0.35＜0.050.23
＜
0.05～
0.15
＜0.05＜0.025
Mn＜1.0＜1.00.40＜2.00＜1.00＜0.15
Si＜1.0＜1.0—＜1.00＜0.50＜0.15 S————＜0.010＜0.010 Co其他其他其他其他其他其他
（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
性能
元素状态
屈服强
度(MPa)
拉伸强
度
（MPa)
延伸
率
（%）
疲劳强度（MPa)
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
345586—
MP35N 退火
冷加工
240
1206
795
1276
50
10
333555850
—
冷加工加时效退火(ISO) 1586
300
1793
800
8
40
CoNiCrMo Wfe 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密铸造、机械变形加工和粉末冶金三种。
精密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，但后者成本昂贵而很少采用。
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内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，但其成本高，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表面，必须对植人件进行加工、打磨和抛光。当涉及钻基合金的焊接时，一般采用电子束焊或钨极氮弧焊。
（三）生物相容性
钻基合金在人体内多保持钝化状态，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应。但用铸造钻基合金制作的人工孵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Co、Ni等离子溶出，在体内引起巨细胞及细胞和组织坏死，从而导致患者疼痛以及关节的松动、下沉。钴、镍、铬还可产生皮肤过敏反应，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内承载苛刻、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及整形外科植人器械。在心脏外科、齿科等领域均有应用，详见医用不锈钢。
三、医用钛及其合金
（一）组成、生产工艺与性质
本世纪40年代以来，随着钛冶炼工艺的完善，以及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。钛及钛合金的密度较小，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年代中期钛及钛合金开始获得广泛的医学应用，成为最有发展前景的医用材料之一。
钛是目前已知的生物亲和性最好的金属之一，钛易与氧反应形成致密氧化钛（TiO2）钝化膜，植人后引起的组织反应轻微。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，尤其适合于骨内埋植。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170～485 MPa抗拉强度为240～550 MPa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能显著提高。表3-5上为Ti6A14V合金的成分性能表。为了进一步改善钛合金疲劳和断裂韧性不理想，弹性模量偏高，含有毒性元素钒（V）等问题，国内外又新近开发出许多具有更好生物相容性和综合力学性能的新型医用钛合金（见表3-6）.
表3-5 Ti6AI4V合金成分与性能（退火）
AL(% )v(%)
Fe(%
)
O(%)N(%)C(%)H(%)
Ti(%
)
弹性
模量
(MPa
)
抗拉
强度
(MPa
)
屈服
强度
(MPa
)
延
伸
率
(%)
5.5～
6.753.4
～
4.5
〈0.
3
〈0.
2
〈0.0
5
〈0.0
8
〈0.01
5
余量11086070
12.
5
表3-6 国内外新型医用铁合金性能比较
国别名义成分
力学性能
说明бb(MPa)б0.2(MPa)δ(%)Ψ(%)б-1(MPa)K1c(MPa)E(GPa)
日Ti15Mo5Zr3Al12841312114875～85低模量
日Til5Zr4Mo2Ta0.2Pd7266712354相容性
日Til5Sn4Nb2Ta0.2Pd9908331449相容性
德TiAl2.5Fe10339141539105
以Fe 代V
瑞士TiA17Nb10249211442110
高疲
劳
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Ti35Zr10Nb105010201482～
100
低模
量、
相容
性
中国TAMZ850650155043193105
综合
性、
相容
性
（二）表面处理与生物相容性
钛及钛合金的表面钝化处理可使材料表面生成一层保护性的氧化膜，提高抗蚀能力。常用的表面钝化处理有化学和电化学钝化两种工艺。钝化后的植人器件在生理环境下均匀腐蚀甚微。但氧化膜中的钛仍可以以离子的形式扩散并积累于周围组织，引起相邻组织的颜色呈蓝灰至黑色，经多年临床观察发现，这种组织变色反应并不造成大的生理危害。
钛及钛合金缺点是硬度较低，耐磨性差。若磨损发生，首先导致氧化膜破坏，随后磨损的颗粒腐蚀产物进人生物组织，尤其是Ti6A14V合金中含有毒性的钒（V）可导致植人物的失效。为了改善钛及钛合金的耐磨性能，可将钛制品表面进行高温离子氨化及应用离子注人技术处理，通过引起晶格畸变，使制品表面呈压应力状态，从而提高硬度和耐磨性。离子氮化后的纯钛及钛合金硬度分别提高7倍和2倍，纯钛的磨损率降低到原来的1/2,钛合金降低到原来的1／6；氮化后钛材的年腐蚀率是非氨化的1/3。动物实验表明组织对表面渗氨钛村反应轻微，材料无毒性。此外，利用离子注人技术，可在钛及合金表面注人氮离子，使其表面生成氮化钛陶瓷涂层，大大提高钛制品的耐磨、耐蚀性能，如TC4氮化前后，制品在模拟体液中的年腐蚀率降低至原来的1/3。
为了改善钛及合金与骨组织的结合性，可采用等离子喷涂和烧结法在钛合金基材表面上涂多孔纯钛或Ti6A14V合金涂层，有利于新骨组织长人形成机械性结合。80年代又开发了钛合金表面等离子喷涂羟基磷灰石陶瓷涂层的技术，使钛合金表面具有生物活性，成功用于钛种植牙根和人工关节柄部，提高了植人物与骨组织的结合强度。近来又发展了多种钛合金表面改性技术，有关的研究将在第四节中介绍。
（三）加工工艺
钛的冶炼和成型加工比其他生物医用金属材料困难，常采用双真空或惰性气体保护的自耗电极熔炼法，并需严格控制杂质元素含量。医用钛合金植人件可采用精密锻造工艺，也可采用轧制型材工艺制备，其机械性能相当。形状复杂的制品也可采用真空熔模精密铸造工艺生产，热等静压工艺可以消除合金铸件内部疏松组织，使合金性能得到改善。
（四）临床应用
钛和钛合金主要应用于整形外科，尤其是四肢骨和颅骨整复，是目前应用最多的金属医用材料。
1．在骨外科，用于制作各种骨折内固定器械和人工关节。其特点是弹性模量比其他金属材料更接近天然骨、密度小、质量轻。但钛合金耐磨性能不好，且存在咬合现象，因此，用钛合金制造组合式全关节需注意材料间的配合。
2．在颅脑外科，微孔钛网可修复损坏的头盖骨和硬膜，能有效保护脑髓液系统。钛合金也可制作颅骨板用于颅骨的整复。
3．在口腔及颌面外科，纯钛网作为骨头托架已用于颚骨再造手术，制作义齿、牙床、托环、牙桥和牙冠等，在口腔整畸、口腔种植等领域也有良好的临床效果。
4．在心血管方面，纯钛可用来制造人工心脏瓣膜和框架。在心脏起搏器中，密封的钛盒能有效防止潮气渗入密封的电子元器件。此外，一些用物理方法刺激骨生长的电子装置也采用了钛材。
四、医用贵金属
医用贵金属是指金（An）、银（Ag）、铂（Pt）及其合金的总称。具有稳定的物理和化学性质，抗腐蚀性优良，表现出生物惰性。通过合金化可对其物理、化学性能进行调整，满足不同的需求。由于它们的导电性能优良，常用于制作植人式的电极或电子检测装置。
(一)金及金合金
金及金合金主要用于口腔牙齿的整牙修复。纯金质软，应用受到限制。为了提高强度，降低成本，开发出以金银铜三元合金为基础的金合金，其成分为：Au95.8％～62.4％，Ag 2.4％～17.4％，Cu1.6％～1.54％，此外，还添加少量钯
（Pd）、铂（Pt）、锌(Zn)人随着金含量的降低及银、铜含量的增加，金合金的抗拉强度由250 MP。提高至813 MP由维氏硬度也由52提高至255。金及金合金除主要用于口腔科外，在颅骨修复及植人电极电子装置方面也有临床应用。
（二）银及银合金
纯银具有优异的导电性能，可用于制作植人型的电极或电子检测装置。但银最重要的临床应用是与汞合金形成汞齐合金，用作口腔充填材料使用。汞齐合金又称银汞合金，是将银、铜、锡合金粉与汞通过研磨或强列振动发生反应而形成的一种合金，其成分中银含量约占40％～70％。银合金粉除了按其中铜的含量分为低铜银合金粉、高银合金粉外，还可按生产工艺特点分为车屑银合金粉、雾化球形银合金粉和急冷喷甩微晶银合金粉3种，后者是我国独立研制出的一种高钢高性能银合金粉。生产和开发银汞合金主要应防止有害的游离汞出现，减少对人体的危害，同时减少银的含量，降低成本。
（三）铂及铂合金
铂是唯一抗氧化直到熔点的金属，抗蚀性能优异，在室温下除王水外，几乎不与任何化学试剂反应，呈生物惰性。在铂中添加金、钯、铑、铱等元素，可使其具有美丽素雅色泽，并具有最好的抗蚀性和加工性。常用的铂合金、铂金合金、铂银合金等。铂及其合金制造的微探针广泛应用于神经系统检测，如神经修复装置、耳涡神经刺激装置、横隔膜神经刺激装置、视觉神经装置和心脏起搏器电极等。
常用医用金属材料 概述 生物医用金属材料(biomedical metallic materials)用于整形外科、牙科等领域。由它制成的医疗器件植人人体，具有治疗、修复、替代人体组织或器官的功能，是生物医用材料的重要组成部分。 生物医用金属材料是人类最早利用的生物医用材料之一，其应用可以追溯到公元前400～300年，那时的腓尼基人就已将金属丝用于修复牙缺失。1546年纯金薄片被用于修复缺损的颅骨。直到1880年成功地利用贵金属银对病人的膝盖骨进行缝合，1896年利用镀镍钢螺钉进行骨折治疗后，才开始了对金属医用材料的系统研究。本世纪30年代，随着钻铬合金、不锈钢和钛及合金的相继开发成功并在齿科和骨科中得到广泛的应用，奠定了金属医用材料在生物医用材料中的重要地位。70年代，Ni-Ti形状记忆合金在临床医学中的成功应用以及金属表面生物医用涂层材料的发展，使生物医用金属材料得到了极大的发展，成为当今整形外科等临床医学中不可缺少的材料。虽然近20年来生物医用金属材料相对于生物医用高分子材料、复合材料以及杂化和衍生材料的发展比较缓慢，但它以其高强度、耐疲劳和易加工等优良性能，仍在临床上占有重要地位。目前，在需承受较高荷载的骨、牙部位仍将其视为首选的植人材料。最重要的应用有：骨折固定板、螺钉、人工关节和牙根种植体等。 生物医用金属材料要在人体生理环境条件下长期停留并发挥其功能，其首要条件是材料必须具有相对稳定的化学性能，从而获得适当的生物相容性。迄今为止，除医用贵金属、医用钛、袒、锯、铅等单质金属外，其他生物医用金属材料都是合金，其中应用较多的有：不锈钢、钴基合金、钛合金、镍钛形状记忆合金和磁性合金等。
常用五金简介： 一． A3钢是GB700-79规定的牌号，相当于GB700-88中的Q235A类，属于普通碳素钢，A3钢是过去的叫法，现在虽然还在用，但仅限于口语，在书面文件中最好不要用，它是甲类钢，这类钢在出厂时钢厂只保证其机械性能而不保证化学成分，所以杂质成分如S、P可能多一点，其含炭量在0.12~0.22%之间，平均屈服极限235MPa，常温下许取用应力113MPa，与新标准中的Q235相当，具体又分A、B、C、D等级别。 二： 不锈钢中说的21CT其实是一种新型的环保不锈钢材，是性能和安全性都远优于SUS304（常用不锈钢锅材料）的新一代无镍、无钼，高抗腐蚀的节能不锈钢材。为什么会取名为21CT，是由于含铬量高达21%而命名的。铬是金属中硬度最大的特种钢。在钢结构和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度耐磨性，铬能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。锅具中添加铬，无惧任何酸性食物的挑战，硬度更强，能配合各种勺具的使用，延长寿命更有效！21%高含量铬金属比SUS304金属要高出3.2%，耐腐蚀、耐磨更显著。而”C“、”T“分别代表铜（Cu）和钛（Ti）的首字母。首先说”C“，不锈钢中添加铜，可以增加不锈钢的耐蚀性，同时适量的铜代替镍（害的金属）的添加，既安全对人体无害，又高效导热，节省能源。同时，镍在提取过程中也会对环境造成伤害，选择无镍，是对自己和对环境的保障。接下来说”T“，钛属于稀有金属，具有“亲生物”性。对人体安全无害。最重要是钛金属具有优异的导热性，能快速均匀使热量扩散。不锈钢中添加钛，能使导热更快。两者结合，能大大提高不锈钢的性能，比SUS304更耐用更高效。21CT的优势很多，一般不锈钢的优势都包含了，如果说最突出的优势，我大概总结一下吧。●加热均匀●高效储热●物理不粘●完全无毒●节能环保●经久耐用，这6大特点使得它各方面都表现优秀，用21CT制成的锅具更加经久耐用，更安全。现在锅具都追求节能、环保，所以它们都会采用复合钢材的形式，把21CT和铝、高级的不锈钢相结合，性能更佳，有研究发现，其导热率比SUS304高30%，好像沸水测试，都比304要快，所以是真正的环保节能新钢材。 三： 430不锈钢是具有良好的耐腐蚀性能的通用钢种，导热性能比奥氏体好，热膨胀系数比奥氏体小，耐热疲劳，添加稳定化元素钛，焊缝部位机械性能好。430不锈钢用于建筑装饰用、燃油烧嘴部件、家庭用器具、家电部件。430F是在430钢上加上易切削性能的钢种，主要用于自动车床、螺栓和螺母等。430LX在430钢中添加Ti或Nb、降低C含量，改善了加工性能的和焊接性能，主要用于热水罐、供热水系统、卫生器具、家庭用耐用器具、自行车飞轮等。 由于其铬含量，又称其为18/0或18-0。与18/8和18/10相比，含铬稍少，硬度相应降低。
常用金属材料 1、钢的分类 钢的分类方法很多，常用的分类方法有以下几种： 1）按化学成分碳素钢可以分为：低碳钢（含碳量<0.25%）、中碳钢（含碳量0.25%?0.6%）、高碳钢（含碳量>0.6%）;合金钢可以分为：低合金钢（合金元素总含量<5% ）、中合金钢（合金元素总含量5%?10%）、高合金钢（合金元素总含量>10%）; 2）按用途分结构钢（主要用于制造各种机械零件和工程构件）、工具钢（主要用于制造各种刀具、量具和模具等）、特殊性能钢（具有特殊的物理、化学性能的钢，可分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢等） 3）按品质分普通碳素钢（P W 0.045% S<0.05% ）、优质碳素钢（P W 0.035% S <0.035% ）、高级优质碳素钢（P W 0.025% S <0.025%） 2、碳素钢的牌号、性能及用途 常见碳素结构钢的牌号用“Q+数字”表示，其中“Q”为屈服点的“屈”字的汉语拼音字首， 数字表示屈服强度的数值。若牌号后标注字母，则表示钢材质量等级不同。 优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示钢的平均含碳量的质量分数的万分数，例如，20钢 的平均碳质量分数为0.2%。 表1 —1常见碳素结构钢的牌号、机械性能及其用途 3、合金钢的牌号、性能及用途 为了提高钢的性能，在碳素钢基础上特意加入合金元素所获得的钢种称为合金钢。
合金结构钢的牌号用“两位数（平均碳质量分数的万分之几） +元素符号+数字（该合金元 素质量分数，小于 1.5%不标出；1.5%?2.5%标2; 2.5%?3.5%标3,依次类推）”表示。 对合金工具钢的牌号而言，当碳的质量分数小于 1%,用“一位数（表示碳质量分数的千分 之几）+元素符号+数字”表示；当碳的质量分数大于1%时，用“元素符号+数字”表示。（注: 高速钢碳的质量分数小于 1%，其含碳量也不标出） 表1 — 2常见合金钢的牌号、机械性能及其用途 4、铸钢的牌号、性能及用途 铸钢主要用于制造形状复杂，具有一定强度、塑性和韧性的零件。碳是影响铸钢性能的主要 元素，随着碳质量分数的增加， 屈服强度和抗拉强度均增加， 而且抗拉强度比屈服强度增加 得更快，但当碳的质量分数大于 0.45%时，屈服强度很少增加，而塑性、韧性却显著下降。 所以，在生产中使用最多的是 ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570三种。 表1 — 35、铸铁的牌号、性能及用途 铸铁是碳质量分数大于 2.11%，并含有较多Si 、Mn 、S 、P 等元素的铁碳合金。铸铁的生产 工艺和生产设备简单，价格便宜，具有许多优良的使用性能和工艺性能， 所以应用非常广泛, 是工程上最常用的金属材料之一。 铸铁按照碳存在的形式可以分为：白口铸铁、 灰口铸铁、麻口铸铁；按铸铁中石墨的形态可 以分为：灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁。
生物医用金属材料 摘要：在概述医用金属材料目前的研究现状、性能和应用的基础上，指出了医 用金属材料应用中目前存在的主要问题，阐述了近些年生物医用金属材料的新进展，并对今后的发展进行展望分析。 关键词：生物医用金属材料现状研究进展 引言： 生物医用材料（biomedical material）是用于对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的新型高技术材料，能够植入生物体或与生物组织相糅合。它的研究及产业化对社会和经济发展的重大作用正日益受到各国政府、产业界和科技界的高度重视。 目前用于临床的生物医用材料主要包括生物医用金属材料、生物医用有机材料（主要指有机高分子材料）、生物医用无机非金属材料（主要指生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料）以及生物医用复合材料等。 而与其它几种生物材料相比，生物医用金属材料具有高的强度、良好的韧性及抗弯曲疲劳强度、优异的加工性能等许多其它医用材料不可替代的优良性能。但生物医用金属材料在应用中也面临着一些问题，由于生理环境的腐蚀而造成的金属离子向周围组织扩散以及植入材料自身性质的退变，前者可能导致毒副作用，后者可能导致植入失效，因此研究和开发性能更优、生物相容性更好的新型生物医用金属材料依然是材料工作者和医务工作者共同关心的课题。 生物医用金属材料 生物医用金属材料是指一类用作生物材料的金属或合金，又称外科用金属材料。它是一类生物惰性材料。通常用于整形外科、牙科等领域，具有治疗、修复固定和置换人体硬组织系统的功能。 在生物医学材料中，金属材料应用最早，已有数百年的历史。人类在古代就已经尝试使用外界材料来替换修补缺损的人体组织。在公元前，人类就开始利用天然材料，如象牙，来修复骨组织；到了19世纪，由于金属冶炼技术的发展，人们开始尝试使用多种金属材料，不遗余力地发展生物医用材料，以解救在临床上由于创伤、肿瘤、感染所造成的骨组织缺损患者，如用银汞合金（主要成份：汞、银、铜、锡、锌）来补牙等； 目前临床应用的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金、钛和钛合金等几大类。此外还有形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌、锆等。
铝镁锰铝镁锰 铝镁锰合金介绍： 铝金属通过电解作用从自然界中提炼出来，再通过熔炼分别配以定量的铜、锰、镁、硅、锌等元素形成多种多样的合金，可获得能满足各种不同需要的机械和物理性能。目前规定了从1000到9000共九个系列的变形铝合金，分别应用于消费品、航空航天、建筑、包装、交通运输、电气设备等各个方面。 符合DIN1725标准所规定的3004合金，其具有质轻、结构强度适中、耐候、耐渍，易于加工和焊接，正常气候环境（空气污染严重除外）下使用寿命可达50年，其再欧美等国建建筑上早已广泛应用，在近几年在国内建筑的使用中得到了认可和肯定，为现代建筑向舒适、耐久、轻型、经济、环保等方向发挥了重要的作用。 铝镁锰合金的性能铝镁锰合金的性能：： 屋面和墙面所用铝镁锰合金板常用厚度有0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm1.2mmmm 等规格，密度为2.73g/cm 3，抗拉强度≥225Mpa，屈服强度≥190Mpa，延伸率＞3%,基材膨胀系数23×10-6。 铝镁锰合金的特点铝镁锰合金的特点：： 1、重量轻，密度为2.73g/cm 3，只有刚的1/3. 2、抗拉强度是普通铝的2.5倍，铝合金中含有一定的镁和锰，使其具有一定的强度和刚度。
3、耐腐蚀；与大气形成氧化铝薄膜，防止被进一步腐蚀。 4、外观表面处理多样、美观：可进行锤纹、阳极氧化、电泳、化学处理、抛光、涂漆处理。 5、可塑性好，易加工，适合各种建筑金属屋面和金属幕墙。 6、良好的导电性：厚度一般为0.7~0.9mm 的铝镁锰，可直接作防雷接闪器（国家规范《建筑防雷设计规范》GB 50057），但应避免在屋面穿孔。 7、优越的电磁波屏蔽性能，使人体大脑不受到伤害。 8、不释放有害毒素，是理想的环保材料。 9、回收利用价值很高，长期使用成本较经济，节约自然资源。 9、利于消防：熔点低（660摄氏度），发生火灾时，屋面易被烧穿，使火势向外蔓延，而不向内横向蔓延，有助于消防人员从顶部灌水灭火，到A 1级防火标准。 10、综合性价比较高。 锌铜钛锌铜钛（（俗称钛锌板俗称钛锌板）） 锌铜钛合金介绍锌铜钛合金介绍 锌铜钛合金（俗称钛锌）是上世纪10年代研制出的一种高强度、抗蠕变合金，其机械性能可以与铜合金、铝合金相媲美。60年代后在欧美逐步获得了工业生产和应用，开辟了结构材料的新领域。 钛锌板是以符合欧洲质量标准的E N179的高纯度金属锌（99.995）与少量的钛和铜熔炼而成。钛的含量是0.06~0.2%，可以改善合金的
无源医疗器械及医用材料 单选题、（由一个题干和两个以上的备选答案组成，其中只有一个为正确答案。选出正确答案。） 1、阐述了医疗器械风险管理的有关国家标准是（） A.ISO13485 2、要避免人工关节发生断裂，通常要求制作材料的强度高于人骨的（）以上 A.1倍 B.3倍 C.5倍 D.7倍 3、颅内动脉瘤支架一般都是（） D.自扩张镍钛支架 4、目前临床普遍使用的颈动脉支架是（） C自.扩张式覆膜支架 5、用于治疗消化道狭窄这类疾病的扩张球囊导管的尺寸一般达（） C.3~4cm 6、目前市场上用的较多的氧合器是（） B.膜式氧合器 7、钛合金的耐腐蚀性比不锈钢和钴基合金（） A.好 8、最早开发的医用钴基合金为（）合金 A.Co-Cr-Mo 9、如果提高材料整体的硬度，则可能损害材料的其他特性，因此通常采用（）的方法来使材料表面硬度得以改善 D.表面处理 10、钛同生物介质的关系是属于惰性金属，其化学惰性超过所有的（） D.不锈钢 11、生物医用金属材料在人体生理环境下的腐蚀主要有（）种类型 A.8 12、（）是指整个瓣膜或瓣膜的一部分由生物组织材料制成的人工心脏瓣膜 C.生物瓣膜 13、骨科材料产品标准按国际惯例可分为（）个等级 B.3 14、无源医疗器械按与人体接触性质分为（）类 A.3 15、与机械瓣膜相比，生物瓣膜的生物相容性（） A.更好 16、无源医疗器械按接触时间分为（）类 B.3 17、不属于人工瓣膜监管方面要点的是（） B.外科医师的技术培训 18、下列性能指标中，不属于人工血管主要性能指标的是（） A.弹性 19、人体内共有（）个心脏瓣膜 C.4 20、心脏瓣膜是（）阀门 A.单向
简介：1. 45——优质碳素结构钢，是最常用中碳调质钢。主要特征: 最常用中碳调质钢，综合力学性能良好，淬透性低，水淬时易生裂纹。小型件宜采用调质处理，大型件宜采用正火处理。应用举例 1. 45——优质碳素结构钢，是最常用中碳调质钢。 主要特征: 最常用中碳调质钢，综合力学性能良好，淬透性低，水淬时易生裂纹。小型件宜采用调质处理，大型件宜采用正火处理。应用举例: 主要用于制造强度高的运动件，如透平机叶轮、压缩机活塞。轴、齿轮、齿条、蜗杆等。焊接件注意焊前预热，焊后消除应力退火。 2. Q235A（A3钢）——最常用的碳素结构钢。 主要特征: 具有高的塑性、韧性和焊接性能、冷冲压性能，以及一定的强度、好的冷弯性能。应用举例: 广泛用于一般要求的零件和焊接结构。如受力不大的拉杆、连杆、销、轴、螺钉、螺母、套圈、支架、机座、建筑结构、桥梁等。 3. 40Cr——使用最广泛的钢种之一，属合金结构钢。 主要特征: 经调质处理后，具有良好的综合力学性能、低温冲击韧度及低的缺口敏感性，淬透性良好，油冷时可得到较高的疲劳强度，水冷时复杂形状的零件易产生裂纹，冷弯塑性中等，回火或调质后切削加工性好，但焊接性不好，易产生裂纹，焊前应预热到100～150℃，一般在调质状态下使用，还可以进行碳氮共渗和高频表面淬火处理。 应用举例:调质处理后用于制造中速、中载的零件，如机床齿轮、轴、蜗杆、花键轴、顶针套等，调质并高频表面淬火后用于制造表面高硬度、耐磨的零件，如齿轮、轴、主轴、曲轴、心轴、套筒、销子、连杆、螺钉螺母、进气阀等，经淬火及中温回火后用于制造重载、中速冲击的零件，如油泵转子、滑块、齿轮、主轴、套环等，经淬火及低温回火后用于制造重载、低冲击、耐磨的零件，如蜗杆、主轴、轴、套环等，碳氮共渗处即后制造尺寸较大、低温冲击韧度较高的传动零件，如轴、齿轮等。 4. HT150——灰铸铁。应用举例:齿轮箱体，机床床身，箱体，液压缸，泵体，阀体，飞轮，气缸盖，带轮，轴承盖等 5. 35——各种标准件、紧固件的常用材料 主要特征: 强度适当，塑性较好，冷塑性高，焊接性尚可。冷态下可局部镦粗和拉丝。淬透性低，正火或调质后使用应用举例: 适于制造小截面零件，可承受较大载荷的零件：如曲轴、杠杆、连杆、钩环等，各种标准件、紧固件 6. 65Mn——常用的弹簧钢。应用举例:小尺寸各种扁、圆弹簧、座垫弹簧、弹簧发条，也可制做弹簧环、气门簧、离合器簧片、刹车弹簧、冷卷螺旋弹簧，卡簧等。 7. 0Cr18Ni9——最常用的不锈钢（美国钢号304，日本钢号SUS304）特性和应用: 作为不锈耐热钢使用最广泛，如食品用设备，一般化工设备，原于能工业用设备 8. Cr12——常用的冷作模具钢（美国钢号D3，日本钢号SKD1) 特性和应用: Cr12钢是一种应用广泛的冷作模具钢，属高碳高铬类型的莱氏体钢。该钢具有较好的淬透性和良好的耐磨性；由于Cr12钢碳含量高达2.3%，所以冲击韧度较差、易脆裂，而且容易形成不均匀的共晶碳化物；Cr12钢由于具有良好的耐磨性，多用于制造受冲击负荷较小的要求高耐磨的冷冲模、冲头、下料模、冷镦模、冷挤压模的冲头和凹模、钻套、量规、拉丝模、压印模、搓丝板、拉深模以及粉末冶金用冷压模等
常见医用塑料品种的介绍 与玻璃和金属材料相比，塑料的主要特点： ●成本较低，可以不必消毒重复使用，适合用作一次性医疗器械的生产原料； ●加工简单，利用其塑性可以加工成各种各样有用的结构，而金属和玻璃很难制 造成复杂结构的制品； ●坚韧，富有弹性，不象玻璃那样易破碎； ●具有良好的化学惰性和生物安全性。 这些性能优势使塑料在医疗器材中具有广泛应用，主要包括聚氯乙烯(PVC)，聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯（PC）、ABS、聚氨酯、聚酰胺、热塑性弹性体、聚砜和聚醚醚酮等。共混可以改善塑料的性能，使不同树脂的最佳性能体现出来，如聚碳酸酯/ABS、聚丙烯/弹性体等共混改性。 一般的塑料合成以后，从大石化厂的合成塔出来，都是面粉状的粉末，不能用来直接生产产品，这就是人们常说的从树汁中提取出脂的成份是一样的，也称为树脂，也叫粉料，这是一种纯净的塑料，它流动性差，热稳定性低，易老化分解，不耐环境老化。人们为了改善以上缺陷，在树脂粉中加入热稳定剂、抗老化剂、抗紫外光剂、增塑剂等，经过造粒改性，增加它的流动性，生产出适应各种加工工艺的、有特殊性能的、不同牌号的塑料品种。所以，同一种塑料品种有很多牌号，按照加工方法来分，有注塑级的，有挤出级的，有吹膜级的；按照性能来分，有高刚性的，有增韧的，等等。医疗器械厂家普遍使用的塑料材料都是经过改性可以直接使用的塑料颗粒。对于市场中没有的具有特殊性能的产品，器械厂可以引进造粒生产线，通过不同的配方设计，加工生产塑料颗粒。 由于要与药液接触或与人体接触，医用塑料的基本要求是具有化学稳定性和生物安全性。简单来说，塑料材料中的组成成分不能析出进入药液或人体，不会引起组织器官的毒性和损伤，对人体是无毒无害的。为了确保医用塑料的生物安全性，通常在市面销售的医用塑料都是通过医疗权威部门的认证和检测，并且明确告知使用者哪些牌号是医疗级的。 美国的医用塑料通常会通过FDA认证和USP VI生物检测，我国医疗级的塑料通常经过山东医疗器械检测中心的检测。目前国内还有相当一部分医用塑料材料未经严格意义上的生物安全认证，但随着法规的逐渐健全，这些情况会越来越改善。 根据器械制品的结构和强度要求，我们来选择合适的塑料类型和恰当的牌号，并确定材料的加工工艺。这些性能包括加工性能、力学强度、使用成本、装配方式、可灭菌性等。现将常用的几种医用塑料加工性能和物理化学性能进行介绍。 1.聚氯乙烯PVC 2.聚乙烯PE 3.聚丙烯PP 4.聚苯乙烯（PS）和K树脂 5.ABS 6.聚碳酸酯PC 7.聚四氟乙烯PTFE
常用金属材料 2.1 铸铁 2.1.1灰口铸铁 2.1.2可锻铸铁3 e! E4 [/ x3 v 2.1.3球墨铸铁 2.2 碳素钢 2.2.1.碳素钢的分类$ f$ R+ D1 l1 S, N! Q 2.2.2普通碳素钢; i: e! N" G) C4 w1 H" n. p 2.2.3优质碳素钢/ v% b& i% s/ @5 t 2.2.4高级优质碳素钢 2.3 合金钢 2.3.1合金钢分类 2.3.2常用合金钢 2.4 常用金属材料技术条件标准- U- G/ j" u; W6 L5 m; b2 d 2 t) o! E* N0 t7 U5 N1 } : m' q# @" p+ S' Q$ u7 ` 2常用金属材料 介绍压力管道中常用的金属材料的分类、特点、用途和表示方法& D& \9 w5 k: F/ n$ Z; E 金属材料:黑色金属：通常指铁和铁的合金d7 C* W1 }& s 有色金属：指铁及铁合金以外的金属及其合金。 黑色金属根据它的元素组成和性能特点分为三大类,即铸铁、碳素钢及合金钢。 2.1铸铁 铸铁：含碳量大于2.06％的铁碳合金。" Y4 v# {7 B8 w) r ◆真正有工业应用价值的铸铁其含碳量一般为2.5%~6.67%。 ◆铸铁的主要成分除铁之外,碳和硅的含量也比较高。由于铸铁中的含碳量较高,使得其中的 大部分碳元素已不再以Fe3C化合物存在,而是以游离的石墨存在。 性能特点：是可焊性、塑性、韧性和强度均比较差,一般不能锻,但它却具有优良的铸造性、减摩性、切削加工性能,价格便宜。 用途：常用作泵机座、低压阀体等材料；地下低压管网的管子和管件。 根据铸铁中石墨的形状不同将铸铁分为灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁。3 D. Q5 e+ G! p 2.1.1灰口铸铁：石墨以片状形式存在于组织中的铸铁称之为灰口铸铁。 ◆灰口铸铁浇铸后缓冷得到的组织为铁素体和游离石墨共存,断口呈灰色，灰口铸铁也因此而 得名。灰口铸铁的各项机械性能均较差,工程上很少使用。' v1 [" p* B N2 D) Q2 [ 2.1.2可锻铸铁：经过长时间石墨化退火,使石墨以团絮状存在于铸铁组织中,此类铸铁称为可锻铸铁。 性能特点：强度、塑性、韧性均优于灰口铸铁，其延伸率可达12%；但可锻铸铁制造工艺复杂,价格比较高。 ◆由于可锻铸铁具有一定的塑性,故"可锻"的名称也由此而出,其实它仍为不可锻。0 j T* Q2 [2 \) m3 H
新型生物医用金属材料 1 前言 1.1生物医用金属材料基本概念 1.2生物医学对材料的要求 2 我国生物医用材料产业现状 3 生物医用金属材料 3.1 医用不锈钢 3.2 医用钴基合金 3.3医用钛合金和镍钛形状记忆合金 3.4 医用贵金属和钽、铌 、锆等金属 3.5 新材料开发 4 表面改性和生物镀膜在医用金属材料上的应用 5 医用金属材料目前存在的主要问题及研究发展方向 5.1医用金属材料目前存在的主要问题 5.2 医用金属材料的研究和发展
1前言 1.1生物医用金属材料基本概念 生物医用材料是指用于医疗上能够植入生物体或与生物组织相接合的材料 ,可用于诊断、治疗 ,以及替换生物机体中的组织、器官或增进其功能。目前用于临床的生物医用材料主要包括生物医用金属材料、生物医用有机材料（主要指有机高分子材料）、生物医用无机非金属材料（主要指生物陶瓷）、生物玻璃和碳素材料以及生物医用复合材料等。 与生物陶瓷及生物高分子材料相比,生物医用金属材料,如不锈钢、钴基合金、钛和钛合金以及贵金属等具有高的强度、良好的韧性及抗弯曲疲劳强度、优异的加工性能等许多其它医用材料不可替代的优良性能。 1.2生物医学对材料的要求 生物医用金属材料在应用中面临的主要问题 ,是由于生理环境的腐蚀而造成的金属离子向周围组织扩散以及植入材料自身性质的退变 ,前者可能导致毒副作用 ,后者可能导致植入失效 。因此研究和开发性能更优、生物相容性更好的新型生物医用金属材料依然是材料工作者和医务工作者共同关心的课题。 医用金属材料作为生物材料的一类 ,其研究和发展要严格满足如下的生物学要求：良好的组织相容性 ,包括无毒性、无热源反应、不致畸、不致癌、不引起过敏反应或干扰机体的免疫机理、不破坏临近组织，也不发生材料表面的钙化沉着等；良好的物理、化学稳定性，包括强度、弹性、尺寸稳定性、耐腐蚀性、耐磨性以及界面稳定性等；易于加工成型 ,材料易于制造；价格适当。 对于植入心血管系统或与血液接触的材料 ,除能满足以上条件外,还须具有良好的血液相容性,即不凝血（抗凝血性好）、不破坏红细胞（不溶血）、不破坏血小板、不改变血中蛋白特别是脂蛋白、不扰乱电解质平衡等。 2 我国生物医用材料产业现状 作为近30年来发展出的一类技术附加值最高的高技术新材料，生物医用材料正在成长为21世纪世界经济的一个支柱性产业。近年我国生物医用材料产业发展很快，尤其是介入支架和骨科器材，发展速度非常快。2008年中国生物医用材料全行业总产值2200亿元, 同比增长15% ；产值超过亿元的企业超过120家，较大
材料 一、金属材料： 1．金属材料的分类：黑色金属和有色金属两大类。 2.黑色金属在各类电机制造中是经常用到的基本材料。 2.1 黑色金属包括铁，锰，铬及其合金，一般都是指钢和铁。按化学成分可以把钢分为碳素钢和合金钢两 大类﹔生铁可分为炼钢生铁﹑铸造生铁和铁合金。 2.2 碳素钢是使用最多的一种， 按用途分为：碳素结构钢，碳素工具钢和易切削结构钢三类。 按含碳量可以把碳素钢分为：低碳钢（含碳≤0.25﹪）﹑中碳钢（含碳＞0.25~0.6﹪）﹑高碳钢（含碳＞0.6﹪）.一般碳素钢中,含碳量越高硬度越高,但塑性降低。 按含磷﹑硫可以把碳素钢分为:普通碳素钢(含磷﹑硫较高) ﹑优质碳素钢(含磷﹑硫较低)和高级碳素钢(含磷﹑硫更低)。 2.3合金钢:为了满足某种性能要求,在钢中加入一种或几种合金元素(如锰﹑硅﹑钒﹑钛﹑铌﹑硼﹑稀土等). 通过合金化,可以提高和改善肮的综合机械性能﹔能显著提高和改善钢的工艺性能,如淬透性,回火稳定性﹑切削性等﹔还可以使钢获得一些特殊的物理化学性能，如耐热﹑不锈﹑耐腐蚀等。 2.3.1 2.4 钢件.铸造工艺有许多优点:能铸造形状复杂的零件,原料利用范围广,能减少切削加工,而且成本较低,还有一系列的优良性能,如耐磨性,减震性好等。 3.有色金属 3.1 有色金属又称非铁金属,它的种类很多,在被人们发现的一百多种元素中除气体,非金属有80余种,广泛的 用于现代科学技术,工业生产,人民生活之中。 3.2有色金属的分类: 按发现时间的先后分为:轻有色金属﹑重有色金属﹑贵有色金属﹑半金属和稀有色金属无大类.
按合金系统分为: 轻有色金属及其合金﹑重有色金属及其合金﹑贵有色金属及其合金﹑稀有色金属及其合金。 按用途分为:变形合金.铸造合金,轴承合金,印刷合金,焊料,中间合金. 3.3 铝及铝合金 3.3.1铝是一种白色的轻金属,在自然界中分布很广,铝的密度小(2.7g/㎝３),良好的导热性和导电性，在空气中 很容易氧化，在表面生成一层致密的氧化薄膜保护层，阻止率的继续氧化，成为抗大气腐蚀性能良好的材料。 3.3.2 铝合金: 在铝中加入一种或几种元素组合成合金.它具有强度高﹑比强度大﹑塑性良好﹑适于各种压 力加工,同时还有良好的切削性能.因而被广泛的用于机械,电机,电器等工业中. 3.3.2.1 铝合金的分类:铸造铝合金和变形铝合金,在电机工业中用于制作电机的机座﹑壳体﹑机壳﹑端盖﹑ 衬套﹑轴套﹑压圈盖帽﹑风叶等。 3.4 铜及铜合金 3.4.1 铜属重合金属,是被人类发现和使用最早的金属之一.铜的密度为8.96g/㎝３,纯铜有良好的导电性和较 强的耐腐蚀性,易于热压和冷压加工,但力学性能低,不宜做结构零件. 3.4.2铜合金:将铜和其它元素组成合金.它具有比纯铜好的力学性能,仅次于钢铁,在机械﹑电机﹑电器工业 中作导电材料﹑弹性材料﹑耐腐蚀和耐磨材料,也是艺术品及生活用品的重要材料,同时也是军事工业的重要材料. 3.4.2.1 3.5.2.1适用范围 重熔用电工铝锭适用于中小型异步电动机浇铸鼠笼转子的鼠笼导条和杯形转子之用. 3.5.2.2 技术要求 化学成分（见表3-6 P285） 外观：电工铝锭的外观应符合GB/T1196的规定。 质量: 重熔用电工铝锭外形几何尺寸不作一规定，但锭形应符合GB/T196的规定，每块质量为（15或20）±2kg。 3.5.2.3标记示例 牌号为AL99.70E的重熔用电工铝锭,其标记为:电工铝锭AL99.70E GB/T2768-1991 3.5.3 铸造铝合金 在电机中主要用作铸造机壳﹑底座﹑底盘﹑外壳﹑壳体﹑端盖﹑出线盒等零件. 3.5.4 压铸铝合金 在电机中主要用作铸造机壳﹑机座﹑底座﹑端盖﹑风扇叶片等零件 二、漆包线 1.漆包线的绝缘层是漆膜,部分采用天然材料(如绝缘紙,天然丝等)外,主要采用有机合成高分子化合物(如缩 醛﹑聚脂﹑聚胺脂﹑聚脂亞胺树脂等)和无机材料(如玻理丝等).为了提高绝缘层的性能,有的绕组线采用
医用金属材料的研究进展 姓名：因 学号： 专业：材料
摘要：介绍了医用金属材料目前的研究现状、性能和应用,指出了医用金属材料 应用中目前存在的主要问题,阐述了近年来生物医用金属材料的新进展1。Medical metal materials with high strength toughness, fatigue resistance, easy processing and forming excellent properties become clinical dosage biggest and wide application of biomedical materials. 关键词：医用金属种类应用研究进展 一生物医用金属材料的简介 生物医用材料是指能够植入生物体或与生物组织相结合的材料,可用于诊断、治疗,以及替换生物机体中的组织、器官或增进其功能。生物医用金属材料是用作生物医用材料的金属或合金，又称外科用金属材料或医用金属材料，是一类惰性材料2。这类材料具有高的机械强度和抗疲劳性能，是临床应用最广泛的承力植入材料。该类材料的应用非常广泛，遍及硬组织、软组织、人工器官和外科辅助器材等各个方面。除了要求它具有良好的力学性能及相关的物理性质外，优良的抗生理腐蚀性和生物相容性也是其必须具备的条件。医用金属材料应用中的主要问题是由于生理环境的腐蚀而造成的金属离子向周围组织扩散及植入材料自身性质的退变，前者可能导致毒副作用，后者常常导致植入的失败。已经用于临床的医用金属材料主要有纯金属钛、钽、铌、锆等、不锈钢、钴基合金和钛基合金等3。 二生物医用金属材料的特性 2.1材料毒性 生物医用金属材料的毒性主要来自金属表面离子或原子因腐蚀或磨损进入周围生物组织，由此作用于细胞，抑制酶的活性，组织酶的扩散和破坏溶酶体。具体可表现为与体内物质生成有毒化合物。并且金属离子进入组织液，会引起水肿、栓塞、感染和肿瘤等。一般才用的降毒方法包括合金化、提高耐蚀性、提高光洁度、表面涂层等4。 2.2生理腐蚀性 生物医用金属材料的生理腐蚀性是决定材料植入后成败的关键，其产物对生物机体的影响决定植入器件的使用寿命。 2.3力学性能 生物医用金属材料需要有足够的强度与塑性。一般说来，对人工髋关节金属材料的要求是：屈服强度>450Mpa；抗拉强度>800Mpa；疲劳强度>400Mpa；延伸率>8%。通常材料的弹性模量大于骨的弹性模量，由此会使得材料与骨应变不同，界面处发生的相对位移造成界面松动；除此产生应力屏蔽，引起骨组织的功能退化或吸收8。 2.4耐磨性 耐磨性影响植入摩擦器件的寿命；以及可能产生有害的金属微粒或微屑，导致周围组织的炎性、毒性反应。可通过提高硬度，表面处理等方法进行改善。 三医用金属材料的种类
常用金属材料 金属材料来源丰富,并具有优良的使用性能和加工性能，是机械工程中应用最普遍的材料,常用以制造机械设备、工具、模具,并广泛应用于工程结构中。 金属材料大致可分为黑色金属两大类。黑色金属通常指钢和铸铁；有色金属是指黑色以外的金属及其合金,如铜合金、铝及铝合金等。 １．2.1 钢 钢分为碳素钢（简称碳钢）和合金两大类。 碳钢是指含碳量小于2．１1％并含有少量硅、锰、硫、磷杂质的铁碳合金。工业用碳钢的含碳量一般为０.05%～１.3５％。 为了提高钢的力学性能、工艺性能或某些特殊性能(如耐腐蚀性、耐热性、耐磨性等),冶炼中有目的地加入一些合金元素(如Mｎ、Si、Cr、Ｎi、Mo、W、V、Ti等）,这种钢称为合金钢。 （一）碳钢 １.碳钢的分类 碳钢的分类方法有多种,常见的有以下三种。 （1）按钢的含碳量多少分类分为三类： 低碳钢,含碳量 ０.25%; 中碳钢，含碳量为0.2５％～0.60%； 高碳钢，含碳量＞0．６０%。 （２）按钢的质量(即按钢含有害元素S、P的多少)分类分为三类: 普通碳素钢，钢中S、P含量分别≤0.０55％和０.0４5%； 优质碳素钢，钢中S、Ｐ含量均≤0．04０%； 高级碳素钢,钢中S、P含量分别≤0．0３0%和0.０35%。 (3）按钢的用途分类分为两类: 碳素结构钢,主要用于制造各种工程构件和机械零件; 碳素工具钢,主要用于制造各种工具、量具和模具等。 2．碳钢牌号的表示方法 （1)碳素结构钢碳素结构钢的牌号由屈服点“屈”字汉语拼音第一个字母Ｑ、屈服点数值、质量等级符号(A、B、Ｃ、D)及脱氧方法符号(F、ｂ、Ｚ）等
四部分按顺序组成。其中质量等级按A、B、C、D顺序依次增高,F代表沸腾钢，b代表镇静钢，Ｚ代表镇静钢等。如Q2３5-A·Ｆ表示屈服强度为235Ｍpa的A 级沸腾碳素结构钢。 （2)优质碳素结构钢优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示。这两位数字代表钢中的平均含碳量的万分之几。例如45钢，表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。08钢,表示平均含碳量为0.08%的优质碳素结构钢。 (3）碳素工具钢碳素工具钢的牌号是用碳字汉语拼音字头Ｔ和数字表示。其数字表示钢的平均含碳量的千分之几。若为高级优质，则在数字后面加“Ａ”。例如,T12钢，表示平均含碳量为1.２%的碳素工具钢。T8钢,表示平均含碳量为0.8%的碳素工具钢。T12Ａ,表示平均含碳量为1.2％的高级优质碳素工具钢。 3．碳钢的用途举例 Ｑ1９5、Ｑ２1５,用于铆钉、开口销等及冲压零件和焊接构件。 Q2３5、Q2５５,用于螺栓、螺母、拉杆、连杆及建筑、桥梁结构件。 Q27５，用于强度较高转轴、心轴、齿轮等。 Ｑ34５，用于船舶、桥梁、车辆、大型钢结构。 08钢，含碳量低,塑性好,主要用于制造冷冲压零件。 1０、２0钢，常用于制造冲压件和焊接件。也常用于制造渗碳件。 3５、４0、45、５0钢属中碳钢,经热处理后可获得良好的综合力学性能,主要用制造齿轮、套筒、轴类零件等。这几种钢在机械制造中应用非常广泛。 T７、T8钢,用于制造具有较高韧性的工具,如冲头、凿子等。 T９、T10、T１1钢，用作要求中等韧性、高硬度的刃具,如钻头、丝锥、锯条等。 Ｔ12、T１3钢，用于要求更高硬度、高耐磨性的锉刀、拉丝模具等。 （二)合金钢 合金钢的分类方法有多种,常见的有以下两种。 (1)按用途分类分为三类： 合金结构钢,用于制造各种性能要求更高的机械零件和工程构件; 合金结构钢，用于制造各种性能要求更高的刃具、量具和模具; 特殊性能钢,具有特殊物理和化学性能的钢,如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。 (2）铵合金元素总含量多少分类分为三类:
一、0方通规格2 方管规格壁厚规格壁厚 15×15 0.8-1.2 50×50 1.2-4.0 16×16 0.6-1.5 60×60 1.5-4.0 18×18 0.6-1.8 70×70 1.5-4.0 20×20 0.6-1.8 80×80 1.7-4.0 25×25 0.8-2.5 90×90 1.7-4.0 30×30 0.8-2.75 100×100 1.5-4.0 40×40 1.0-4.0 0 0 方管最大可做到400*400壁厚12毫米 矩形管规格壁厚规格壁厚20×10 0.8-2.5 50×40 1.5-4.0 30×20 0.8-2.5 50×70 1.5-4.0 40×20 0.8-2.75 60×30 1.5-4.0 40×25 1.2-3.0 60×80 1.5-4.0 40×30 1.5-3.75 60×90 1.5-4.0 40×60 1.5-4.0 80×100 1.5-4.0 40×80 1.0-4.0 100×40 1.5-4.0 50×25 1.0-4.0 100×50 1.5-4.0 50×30 1.0-4.0 120×50 1.5-4.0 矩形管最大到400*300壁厚12毫米 工字钢规格重量表 2008年06月23日星期一11:39
五、工字钢单位重量表热轧普通工字钢每米重量表
热轧轻型工字钢每米重量表 二、角铁规格型号大全 规格型号材质规格型号材质 25*25*3 Q235B 90*90*7 Q235B 30*30*3 Q235B 90*90*8 Q235B 30*30*4 Q235B 90*90*9 Q235B 38-*38*3 Q235B 90*90*10 Q235B 38*38*4 Q235B 100*100*8 Q235B 40*40*3 Q235B 100*100*9 Q235B 40*40*4 Q235B 100*100*10 Q235B 40*40*5 Q235B 100*100*12 Q235B 50*50*4 Q235B 125*125*8 Q235B 50*50*5 Q235B 125*125*10 Q235B
医用金属材料的表面处理 ——医用钛合金的表面处理 在所有生物医用材料中，金属材料应用最早，而且在目前临床中的应用也仍最为广泛。金属材料用作生物医学材料主要用来修复骨骼、关节、牙齿以及血管等。最初用于临床的金属材料是具有一定抗蚀性能的不锈钢，其中最为常用的是346L奥氏体不锈钢。以后又发展了Co-Cr合金，此系列合金在生物环境中具有更好的抗腐蚀性， 初期对钛应用的发展很慢. 自从60年Brane- mark将钛合金用作口腔种植体后，钛作为外科植入材料才得到 了广泛发展。近年来钛及其合金以其与骨相近似的弹性模量、良好的生物相容性及在生物环境下优良的抗腐蚀性在临床上得到了越来越广泛的应用。 医用钛合金的发展可分为3个阶段：首先是以纯钛和Ti6Al4V合金为代表的第一阶段, 第二阶段Ti5Al2.5Fe 和Ti6Al7Nb等新型合金为代表，第三阶段以具有更好生物相容性和更低弹性模量的钛合金为代表。尽管近年来文献报道有多种新型医用钛合金问世，但目前临床广泛使用的钛合金仍以Ti6Al4V合金为主。总体来讲，目前使用 的钛合金主要存在以下几个方面的问题：（1）生物活性不理想。钛合金作为生物惰性材料植入体内，虽然与骨之间具有良好的生物相容性，但其与自然骨的成分截然不同，植入后种植体周围无纤维包囊形成，钛合金与骨之间只是一种机械嵌连性的骨整合，而非强有力的化学骨性结合。（2）耐磨性能较差。由于钛合金具有低的塑性 剪切抗力和加工硬化性能。同时表面氧化膜TiO2易于剥落, 对亚表层起不到很好的保护作用, 因而裸的钛合金不足以抵抗由相对运动引起的粘着和磨粒磨损, 磨损产生的磨屑会引起关节置换的无菌松动，并最终导致置换失败。（3）耐蚀性能有待进一步提高。金属材料的耐蚀性能将直接影响到其生物相容性。在正常条件下，钛合金表面 会生成一种十分稳定而连续的、结合牢固的氧化物钝化膜，因此通常具有良好的耐蚀性能。但由于人体环境的复杂性，在外力和体液的侵蚀下，表面钝化膜有可能被剥离、溶解，因此，在使用过程中会有物质释放到组织中，在生物体内产生毒性、炎症、血栓等反应。 针对医用钛合金存在的不足可从两方面入手：一是从材料本体着手，开发综合性能更优异的新型钛合金； 二是从材料表面着手，采用表面工程的方法对钛合金进行表面改性，使钛合金的综合性能大幅度提高，从而更适合于医学应用的要求。基于此近年来钛合金表面改性已成为生物材料学科最活跃、最引人注目和发展最迅速的领域之一。钛合金表面技术的发展大致经历了3个阶段：一是以电镀、热扩散为代表的传统表面技术阶段；二是以 等离子体、粒子束、电子束的应用为标志的现代表面技术阶段；三是现代表面技术的综合应用和膜层结构设计阶段。为了提高钛合金种植体的表面活性，改善钛合金的耐磨损和耐腐蚀性能，通过多种表面改性的方法来实现。 为了改善医用钛合金的生物活性，提高其血液相容性，通常是在钛合金表面制备一层生物活性陶瓷涂层。 业已研究的生物活性陶瓷涂层体系主要有羟基磷灰石、氟磷灰石、磷酸三钙、MgO-CaO-SiO2生物玻璃等，其中对前3 种陶瓷涂层研究较深入。目前，生物陶瓷涂层制备方法主要有：等离子喷涂法、电泳沉积法、离子束溅射法、射频磁控溅射法、浸渍涂层法、离子束动态混合法、激发物激光沉积法、溶胶-凝胶法、仿生溶液生长法、整合-烧结法和浸涂-烧结法等。 羟基磷灰石是构成人体硬组织（如骨和牙齿）的主要无机成分，占人骨无机成分的77%，齿骨中高达97%，其分子式为Ca10 ( PO4 ) 6 ( OH ) 2，晶体属六方晶系。羟基磷灰石涂层对人体无毒、无害、无致癌作用，具有很好的生物相容性和生物活性，其表面可与生理环境发生选择性的化学反应，诱导和促进新生骨组织在其表面生长，使机体长入羟基磷灰石涂层的金属种植体表面孔洞，在界面上与骨形成牢固的化学结合，并能抑制金属离子从种植体中释放到周围骨组织。采用等离子喷涂法在钛合金表面制备羟基磷灰石涂层，研究了羟基磷灰石涂层的应力状态和应力分布，着重考查了涂层表面和涂层与基体界面处的残余应力状态，发现在等离子喷涂过程中涂层温度和不同的冷却介质对羟基磷灰石涂层的残余应力状态有重要的影响。研究了激光熔覆羟基磷灰石生物陶瓷涂层在Hank s溶液中的溶解特性，并通过X 射线衍射、扫描电镜和傅里叶变换拉曼光谱仪考察了浸入溶液前后涂层的
带大家认识一下医用金属材料！ 金属医用材料是人类最早利用的医用材料之一，其应用可以追溯到公元前400~300年，腓尼基人将金属丝用于修复牙缺失。随后，经历了漫长岁月的发展，直至19世纪后期，人类成功利用贵金属银对患者的膝盖骨进行缝合（1880年）。人类利用镀镍钢螺钉进行骨折治疗（1896年）后，才开始了对金属医用材料的系统研究。20世纪30年代，随着钴铬合金、不锈钢和钛及合金的相继开发成功并在齿科和骨科中得到广泛的应用，逐步奠定了金属医用材料在生物医用材料中的重要地位。70年代，Ni-Ti形状记忆合金在临床医学中的成功应用以及金属表面生物医用涂层材料的发展，使生物医用金属材料得到了极大的发展。医用金属材料也被称为外科植入金属材料，主要用于诊断、治疗，以及替换人体中的组织或增进其功能。近20年来，虽然金属医用材料相对于高分子材料、复合材料以及杂化和衍生材料等生物医用材料的发展缓慢，但其具有高的强度、良好的韧性及抗弯曲疲劳强度、优异的加工性能等许多其它几类医用材料不可替代的优良性能，是临床应用中最广泛的承力植入材料。尤其随着金属3D打印技术的发展，金属医用材料得到了更广泛的应用，最重要的应用有：骨折内固定板、螺钉、人工关节和牙根种植体等。
常用金属医用材料 临床应用的医用金属材料主要有不锈钢、钴合金、钛合金、形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌、锆等。 不锈钢 医用不锈钢（Stainless Steel as Biomedical Material）为铁基耐蚀合金，是最早开发的生物医用合金之一，其特点是易加工、价格低廉，耐蚀性和屈服强度可以通过冷加工提高，避免疲劳断裂。不锈钢按显微组织可分为：奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、沉淀硬化型不锈钢等，被用以制作医疗器械：刀、剪、止血钳、针头，同时被用以制作人工关节、骨折内固定器、牙齿矫形、人工心脏瓣膜等器件。其中，医用应用最多的是奥氏体超低碳不锈钢316L和317L。1987年，316L和317L两种合金已于纳入国际标准ISO 5832和ISO 7153中。1990年，我国制定了相应的国家标准GB 12417，并于1991年开始实施。医用不锈钢钳 医用不锈钢的生物相容性及相关问题，主要涉及到不锈钢植入人体后由于腐蚀或磨损造成金属离子溶出所引起的组织 反应等。大量的临床资料显示，医用不锈钢的腐蚀造成其长期植入的稳定性差，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。由于腐蚀会造成金属离子或其它化合物进人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、组织坏死等，从