生物医用金属材料30页PPT

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陶瓷材料的强度和断裂 陶瓷的结合键和晶体结构决定了陶瓷材料具有很高的抗压
强度，但抗拉强度和剪切强度却很低。
若设裂纹的长度为C，应力集中系数可根据Griffith公式得到：
c 2 C

r
式中，σ为垂直作用于此裂纹的平均应力；r为裂纹尖端处的曲
率半径；C为裂纹长度。由于裂纹尖端处的曲率半径很小。
5.1.5 其他医用金属材料
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第五章 生物医用材料
5.2 医用陶瓷材料
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图4-2 萤石的点阵结构
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图4-3 刚玉的点阵结构
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1.2 陶瓷的物理性能
• 陶瓷材料的机械性能
陶瓷材料的弹性变形 陶瓷材料的拉伸模量一般比金属的大得多，常相差数倍。
这主要是由于陶瓷材料由离子键和共价键组成有关。陶瓷材 料的弹性模量还与构成陶瓷材料的种类、分布比例、气孔率 和加工工艺等因素密切相关，尤其是陶瓷的工艺过程对陶瓷 材料的弹性模量有着很重要的影响。
等），考察材料的生物相容性。
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耐腐蚀性能要求
金属材料的主要缺点是腐蚀问题。
长期浸泡在含有有机酸、碱金属或碱土金属离 子（Na+、K+、Ca2+）、Cl-离子等构成的恒温 （37℃）电解质的环境中，加之蛋白质、酶和 细胞的作用，其环境非常复杂，会对金属材料 产生腐蚀，腐蚀的产物可能是离子、氧化物、 氯化物等。

（2）无机有机复合是当前研究热点之一
（3）材料的多元复合是发展的重要方向
（4）具有特异性能的生物活性材料；
（5）力学相容性好又有促进组织生长功能的材 料；
（6）具有人体组织结医构学P的PT 复合材料
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HAP的粉体制备方法 主要包括：固相反应法、 化学沉淀法、水热合成法、 溶胶—凝胶法、醇化合物 法等几种。
Ca10(PO4)6(OH)2
HAP系生物 材料的研究现状
（1）HAP的粉体制备工艺
（2）羟基磷灰石的成型与 烧结工艺
（3）HAP系复合材料目前 已达到的性能
（4）HAP系复合材料的应 用
医学PPTຫໍສະໝຸດ 201.2 生物材料的国（内A）外成研型工究艺 现状 常用的成型工艺主要有：注浆成型、 压制成型、等静压成型和凝胶浇注成型 等。
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发展
❖ 公元前2500年在中国及埃及人的墓穴中已 发现有假手、假耳等人工假体，我国隋唐 时代就有了补牙用的银膏。
❖ 金银铂 ❖ 不锈钢 ❖ 纯钛的骨钉、骨板 ❖ Ti-Ni形状记忆合金
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❖ 目前国外有数以百万计的人靠人工器官维持着生 命。仅在美国，每年约有100万人接受人工器官的 植入手术。其中，人工心脏瓣膜3.5万人，人工血 管18万人；人工髋骨12.5万人；人工膝盖605万人； 人工肾5万人。
（ B ） 一 般 报 道 的 整 体 HAP 的 弯 曲 强 度 在 30 ～ 177MPa之间，人体致密骨的弯曲强度在170MPa
左右。 （1）HAP的粉体制备工艺
（C）一般报道的整体HAP的断裂韧性在
0.7MPa ·m1/（2左2右），人羟体基骨磷的断灰裂石韧性的在成2-1型0 与 MPa · m1/2之烧间结。 工艺

正器具等。
可锻可铸，机械性能好 价格高，加工难、 常用来制作人工关节的金 硬度有硬，中，软之分 应用不够普及 属间华东联接。
USA Organogenesis Inc., Massa, USA
Intergra Life Science, NJ, USA Smith & Nephew, UK
Interpore Cross International Inc., USA
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目录
生物医用材料市场发展概况 生物医用材料的基本特性及分类 金属生物医用材料 无机生物医用材料 有机高分子生物医用材料 杂化生物医用材料
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三、生物医用材料的分类
按材料的用途进行分类：
生物医用材料
口腔医用材料 硬组织修复与替换材料(用于骨骼和
关节等) 软组织修复与替代材料(用于皮肤、
肌肉、心、肺、胃等) 医疗器械材料
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按材料的组成进行分类：
金属生物医用材料:包括不锈钢、钴基合金，钛及合金等，广泛应用 于人工假体、人工关节、医疗器械等。 无机生物医用材料：分为惰性生物陶瓷、生物玻璃、碳素材料。 有机高分子生物医用材料：分为天然的和合成的，天然的如多糖类、 蛋白类，合成的聚氨酯、聚乙烯、聚乳酸、聚四氟乙烯等，用于人体 器官、组织、关节、药物载体等。 杂化生物医用材料：不同种材料的混合或结合，克服单一材料的缺点， 可获得性能更优的材料。
2000万心血管病患者 --------每年需要24万套人工心瓣膜
肾衰患者 --------每年需要12万个肾透析器
……
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全球生物医用材料 细分市场发展
矫形外科修复材料 和制品
增长率26%
心血管系统修复材 料、血液净化材料

➢ 最后就是不锈钢在人体内表现为生物惰 性，表面无生物活性，植入人体后与周 边肌体组织的结合不牢固，易于松动， 有时会影响植入治疗效果。
➢ 1、引言 ➢ 2、医用不锈钢的特点 ➢ 3、医用不锈钢存在的问题和不足 ➢ 4、医用不锈钢的研究与发展
4.1 医用无Ni奥氏体不锈钢 4.2 医用不锈钢的表面改性 4.3 抗菌不锈钢
学性能；
➢ 从近年来新修订的国际标准IS05832- 9 (低N i+ N医用 奥氏体不锈钢, 对应美国标准ASTM F1586 ) 中可见, 利用N 元素来代替不锈钢中的部分Ni元素, 可显著提 高不锈钢的力学性能和耐腐蚀性能；
➢ 对比研究高N 无N i不锈钢和医用Co-Cr-Mo 合金 ( Co62-Cr28-M o6, 余为N i等)的力学性能和生物学性 能表明, 高N 无Ni不锈钢的力学性能与Co-Cr-M o合金 相近, 而其耐点蚀性能和血液相容性明显优于钴铬钼 合金, 表现出更高的点蚀点位、更长的动态凝血初凝 时间(高出约25% )和更佳的抗血小板黏附性能；
金属生物材料浸泡在体液中，而体液 含有蛋白质、有机酸(如乳酸) 、碱金属 和无机盐等。
➢ 钠、钾、钙、氯等离子均为电解质，可使金 属产生腐蚀。
➢ 蛋白质与金属间相互作用, 引起非电化学降解。
➢ 金属的不纯产生局部原电池腐蚀, 或结合处磨 损、应力集中和疲劳性断裂。
临床应用金属生物材料腐蚀问题应重点关注 口腔材料和其他种植体材料。
4.1 医用无Ni奥氏体不锈钢
➢ 在1994年颁布的欧洲议会94/27/EC标准中 , 要求植入 人体内的材料(植入材料、矫形假牙等)中的Ni含量不 应超过0.05%；
➢ 研究开发医用低Ni和无Ni奥氏体不锈钢已经成为国际 上医用不锈钢的一个主要发展趋势。其原理是利用廉 价的N 元素(或N和Mn的共同作用)代替不锈钢中昂贵 的Ni元素来稳定不锈钢的奥氏体组织结构, 从而使不 锈钢继续保持其优异的力学性能、耐腐蚀性能和生物

PART TWO
生物医用金属材料的性能要求
有极好的耐腐蚀 性能，无磁性
具有良好的光洁度
有足够的力学强 度和抗疲劳性能
必须无毒、无过 敏性与过敏反应
材料易于制造， 价格适当
PART THREE
常用的生物医用金属材料
1.不锈钢
优点：（1）价格便宜 （2）易于通过常规技术成型 （3）力学性能在较大的范围内可控，能提供最佳的强度和韧性
生物医用金属材料
目录
COMPANY
01 生物医用金属材料的概念 02 生物医用金属材料的性能要求
03 常用的生物医用金属材料
PART ONE
生物医用金属材料的概念
生物医用金属材料是指一类用作生物材料的金属或合 金，又称作外科用金属材料或医用金属材料，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。
5.其他生物医用金属材料
优点：良好的稳定性和加工性能 缺点：价格较贵，广泛应用受到限制
THANK YOU！
PART THREE
常用的生物医用金属材料
3.钛及钛合金
优点：（1）具有良好的耐腐蚀性 （2）不会生锈，且具有生物相容性 （3）无毒、质轻、强度高、耐高温低
温 缺点：钛由于磨损问题，钛不宜作为人工关节Байду номын сангаас滑动部件，可通过离子注入和氮化等方法，可 改进钛的耐磨性。
钛合金人造骨
4.形状记忆合金
优点：（1）较硬富有弹性，可起到矫形或支撑作用 （2）具有优良的生物相容性、耐腐蚀性、耐磨性、无毒性
缺点：耐腐蚀性不够，不宜在体内长时间使用
2.钴基合金
钴基合金主要包括Co-Cr-Mo合金和Co-Ni-Cr-Mo合金。 优点：（1）良好的耐腐蚀性能

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0
、
倚
南
窗
以
寄
傲
，
审
容
膝
之
易
安
。
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
医用金属材料讲解
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、
露
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无
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氛
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高
风
景
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。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
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、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮烟Βιβλιοθήκη 。9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散

详细描述
3D打印技术是一种新兴的制造技术，通过逐层堆积材料的方式构建三维实体。在生物医用金属材料的 制备中，3D打印技术可用于快速原型制造、个性化医疗器械制造等领域。通过3D打印技术，可以制 造出具有复杂形状和结构的金属器件，满足个性化医疗的需求。
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生物医用金属材料的表面 改性
物理改性
表面涂层
表面接枝
通过化学反应在金属表面接枝有机分 子或聚合物，改善表面的润湿性、细 胞亲和性和抗凝血性能。
生物改性
生物活性物质涂层
将生物活性物质如生长因子、骨形成蛋白等与高分子材料结合，形成具有生物活性的涂 层，促进骨愈合和组织再生。
细胞培养
将细胞种植在金属表面，通过细胞与材料的相互作用，改善材料的生物相容性和组织再 生能力。
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新兴市场国家经济的快速发展和医疗保健体系的 不断完善也为生物医用金属材料市场带来巨大的 增长潜力。
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生物医用金属材料的挑战 与展望
技术挑战
加工难度
材料性能的稳定性
生物医用金属材料往往需要精细的加工技 术，以确保材料的形状、尺寸和表面质量 满足医疗应用的需求。
生物医用金属材料需要在复杂的环境中保 持其性能的稳定性，例如在人体内的高温 、高湿和富氧的环境中。
切削加工法
总结词
通过切削工具对金属材料进行加工成型的工艺。
详细描述
切削加工法是一种传统的金属加工工艺，通过切削工具对金属材料进行加工， 以获得所需的形状和尺寸。在生物医用金属材料的制备中，切削加工法常用于 制造小型、精密的金属器件，如手术器械和医疗器械等。
3D打印技术
总结词
通过逐层堆积材料的方式构建三维实体的技术。
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生物医用金属材料的市场 分析

采用身体略向前倾的姿势有利于将上颌窦内积存的分泌物排出体外发展前景镁合金作为现有的金属生物材料的新一代替代品具有许多无可比拟的优势但同时它自身的耐腐蚀性能偏低仍然是我们面临的亟待解决的问题相信随着研究的逐步深入化和系统化在不久的将来镁及镁合金必将在未来的生物材料领域得到广泛的应用
生物医用镁合金
概述
潜在优势
• 镁合金作为生物医用材料，在力学性能、生物 相容性和可降解性三方面具有突出的优势 。
• 1、力学性能
• 镁及镁合金有高的比强度和比刚度,纯镁的比强度为 133GPa/(g/cm3),而超高强度镁合金的比强度已达到480 GPa/(g/cm3),比Ti6Al4V的比强度(260 GPa/(g/cm3))高 出近1倍。镁及镁合金的杨氏模量（约为45GPa）更接 近人骨的弹性模量(20GPa),能有效降低应力遮挡效应。 镁与镁合金的密度（约为1.7g/cm3）与人骨密度 (1.75g/cm3)接近, 符合理想接骨板的要求。因而用镁及 镁合金作为骨固定材料,能够在骨折愈合的初期提供稳定 的力学环境,逐渐而不是突然降低其应力遮挡作用,使骨 折部位承受逐步增大乃至生理水平的应力刺激,从而加速 愈合,防止局部骨质疏松和再骨折。
1、纯化镁合金
• 由于医用镁合金在体内主要通过电化学反应产生 腐蚀，杂质元素在镁合金基体中作为阴极相，促 进微电偶电池的形成，加速了基体的电化学腐蚀。 因而，提高医用镁合金的纯度，控制有害元素的 含量，使其处在允许的极限浓度范围内，可以显 著降低材料的腐蚀速率和改善镁合金的力学性能。
• 通过纯化镁合金的方法，虽然可以有效减缓镁合 金的降解，但是往往在去除杂质的同时，因为固 定相的减少，导致相应的力学性能降低
• 镁及镁合金由于密度低，比强度、比刚度高等优 异的综合性能已被广泛应用在航空航天、电子通 信、汽车制造等领域。从这十几年来国内外对镁 及镁合金各方面的报道发现镁作为硬组织植入材 料，与现已投入临床使用的各种金属植入材料相 比，具有资源丰富、与人骨的密致骨密度相近、 加工性能良好、能有效地缓解应力遮挡效应等优 势，另外镁离子对人体的微量释放是有益的，且 镁及其合金与生物相容性好、资源丰富、价格低。

医用金属材料
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1 医用金属材料应用中的理论基础 2 医用金属材料的发展史
录目 3 常见医用金属材料及其特点
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医用金属材料表面改性和生物 镀膜
1 人体内化学环境简述 2 人体内腐蚀类型 3 医用金属材料需满足的条件
1 医用不锈钢 2 医用钴基合金 3 医用钛合金 4 医用镁合金 5 医用贵金属和钽、铌、锆等金属
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3.2 医用钴基合金
“ 医用钴基合金也是医疗中
常用的医用金属材料,相对不 锈钢而言,医用钴基合金更适 合于制造体内承载条件苛刻 的长期植入件。但是由于钴 基合金价格较贵 ,并且合金中 的Co、Ni元素存在着严重致 敏性等生物学问题, 应用受到 一 定的限制 ,近些年通过表面 改性技术来改善钴基合金的 表面特性,有效提高了其临床 效果 。
不锈钢中镍离子析出诱发的严重病
不锈钢主要应用于骨骼系统的置换
变。316L不锈钢植入人体后有时会
和修复方面,此外在齿科、心脏外科、
产生缝隙腐蚀或摩擦腐蚀以及疲劳
心血管植入支架等方面也得到应用。 奥氏体不锈钢 ,特别是316和 316L 不锈钢 ,具有比其他不锈钢更 好的抗蚀性能,316L 不锈钢是制作 医用人工关节常用金属材料 ,主要 用作关节柄和关节头。
”
钛合金髋关节
“ 医用钛合金的综合力学性 能与工艺性能有了显著的改进 和提高 ,并去掉了对人体有毒 性的V元素。新型（α+β）钛 合金Ti-15Zr系和Ti-15Sn系合 金则同时去掉了V 和Al。近年 来开发出的一些新型钛合金， 主要是β型合金 ,则都注重减少 了对人体有一定危害的元素， 有效地改善了钛合金的生物相 容性。
晶间腐蚀
晶间腐蚀 3 4 应力腐蚀
应力腐蚀

生物医用材料需要经过 严格的临床试验和安全 评估，确保其安全性和 有效性。
个性化与定制化
随着医疗技术的发展， 临床对个性化、定制化 的生物医用材料需求越 来越高。
未来发展方向与展望
01
创新性研究
加强新材料、新技术和新工艺的研究，推动生物医用材料的创新发展。
02
交叉学科合作
加强生物医学工程、化学、物理学等多个学科的交叉合作，共同推动生
分类
根据用途可分为药物载体、医疗 器械、组织工程和再生医学材料 等。
生物医用材料的特性
生物相容性
功能性
稳定性
可加工性
材料与人体组织、血液 等相互作用时不产生有
害反应。
具备所需要的功能，如 传导热量、机械支撑等。
在体内保持稳定，不发 生降解、变质或毒性反
应。
易于加工成所需形状和 大小，以满足医疗需求。
常见的金属生物医用材料
不锈钢、钛和钛合金、钴铬合金等。
金属生物医用材料的优缺点
优点包括良好的机械性能和加工性能，缺点包括可能引发过敏反应 和金属腐蚀。
高分子生物医用材料
高分子生物医用材料的特性
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具有良好的化学稳定性、生物相容性和加工性能，广泛用于制
造医疗用品、人工器官和药物载体等。
常见的高分子生物医用材料
氧化铝、氧化锆、生物活性玻璃和玻璃陶瓷等。
陶瓷生物医用材料的优缺点
优点包括良好的化学稳定性和生物相容性，缺点包括脆性大、加工 困难。
复合生物医用材料
复合生物医用材料的特性
通过将两种或多种材料组合在一起，发挥各自的优势，弥补单一材 料的不足，具有良好的综合性能。
常见的复合生物医用材料
聚合物/陶瓷复合材料、聚合物/高分子复合材料、金属/陶瓷复合 材料等。