關于醫(yī)用金屬材料概述

定義：應用：是一種用作生物醫(yī)用材料的金屬或合金，又稱作外科用金屬材料或醫(yī)用金屬材料，是一類生物惰性材料。通常用于整形外科、牙科、骨科等領域，具有治療、修復固定和置換人體硬組織系統(tǒng)的功能。

目前臨床應用的金屬植入材料主要包括：不銹鋼、鈷基合金、鈦合金、鎳鈦形狀記憶合金、醫(yī)用貴金屬、醫(yī)用鈦、鉭、鈮、鋯等單質金屬，以及磁性合金等等。第2頁,共86頁，2024年2月25日，星期天2醫(yī)用金屬材料的要求(1)生物相容性:

即生物學反應最小(2)優(yōu)良的機械性能:

強度與彈性模量（與生物體匹配）耐磨性(3)耐腐蝕性能：腐蝕不僅降低或破壞金屬材料的機械性能，導致斷裂，還產生腐蝕產物，對人體有刺激性和毒性。

無不良刺激、無毒害，不引起毒性反應、免疫反應，

不致癌、不致畸，無炎性反應，不引起感染，不被排斥。

有助于愈合和附著。（作為摩擦部件的醫(yī)用金屬材料，其耐磨性直接影響到植入器件的壽命）第3頁,共86頁，2024年2月25日，星期天3常用醫(yī)用金屬材料3.1不銹鋼3.2鈷基合金3.3鈦合金3.4其它合金第4頁,共86頁，2024年2月25日，星期天

3.1生物醫(yī)用不銹鋼

3.1.1不銹鋼基礎知識金屬腐蝕類型

1）、均勻腐蝕（generalattack）

腐蝕均勻地在材料的表面產生，損壞大量的材料。容易發(fā)現，危害性不是很大。2）、點腐蝕（pointcorrosion）

腐蝕集中在材料表面不大的區(qū)域，向深處發(fā)展，最后甚至能穿透金屬。

第5頁,共86頁，2024年2月25日，星期天3）、晶界腐蝕（intergranularcorrosion）

晶界腐蝕是指腐蝕過程是沿著晶界進行的，其危害性最大。4）、應力腐蝕（stresscorrosion）

鋼在拉應力狀態(tài)下能發(fā)生應力腐蝕破壞的現象。沒有什么預兆，所以其危害性也是比較大的。5）、磨損腐蝕（corrosionwear）

在腐蝕介質中同時有磨損，腐蝕和磨損相互促進、相互加速的現象稱為磨損腐蝕。

第6頁,共86頁，2024年2月25日，星期天

圖各種腐蝕類型

晶界腐蝕點腐蝕應力腐蝕裂紋第7頁,共86頁，2024年2月25日，星期天提高鋼耐腐蝕性能的途徑主要有：

（1）形成穩(wěn)定保護膜，→Cr、Al、Si有效。（2）提高固溶體電極電位或形成穩(wěn)定鈍化區(qū)→Cr、Ni、Si：Ni貴而緊缺，Si易使鋼脆化，

Cr是理想的。（3）獲得單相組織→Ni、Mn→單相奧氏體組織。（4）機械保護措施或復蓋層，如電鍍、涂漆等方法。第8頁,共86頁，2024年2月25日，星期天

不銹鋼的組織與分類

鐵素體形成元素：Cr、Mo、Si、Ti、Nb等；奧氏體形成元素：C、N、Ni、Mn、Cu等。鉻當量[Cr]=Cr+1.5Mo+2.0Si+1.5Ti+1.75Nb+5.5Al+5V+0.75W

鎳當量[Ni]=Ni+Co+0.5Mn+30C+25N+0.3Cu

鉻當量和鎳當量的綜合作用結果決定不銹鋼的組織→組織狀態(tài)圖。第9頁,共86頁，2024年2月25日，星期天

圖不銹鋼組織狀態(tài)圖（焊后冷卻）第10頁,共86頁，2024年2月25日，星期天不銹鋼分類⑴M不銹鋼：12Cr13、20Cr13、30Cr13、40Cr13（1Crl3~4Crl3）等Crl3型，Crl7Ni2、9Cr18等⑵F不銹鋼：如06Cr11Ti、10Cr17Mo、

008Cr27Mo等⑶

A不銹鋼：具有單相A組織，如

06Cr19Ni10、06Cr18Ni11Ti、12Crl8Mn9Ni5N等⑷

A-F復相不銹鋼：如12Cr21Ni5Ti⑸沉淀硬化不銹鋼第11頁,共86頁，2024年2月25日，星期天1）.合金元素對不銹鋼組織和性能的影響

（一）合金元素對鈍化的影響鈍化：某些金屬在特定的環(huán)境下表面失去金屬活性，呈現與惰性金屬相似的特性鈍化機制：金屬表面與周圍介質生產一層極薄的氧化膜（鈍化膜），作為金屬與介質之間的一個屏障，降低金屬的腐蝕鈍化的作用：使金屬在一定條件下，陽極反應受阻，從而提高耐蝕性常用的鈍化元素：Cr，Al，Si，(Mo，Cu)影響不銹鋼組織和性能的因素

第12頁,共86頁，2024年2月25日，星期天2）合金元素對Fe電極電位的影響

一般講，金屬固溶體的電極電位比化合物低，所以在腐蝕過程中，金屬固溶體作為陽極被優(yōu)先腐蝕。1）提高Fe基體的電極電位可提高耐蝕性2）Cr對Fe基體的電極電位影響的n/8規(guī)律（Tammann定律）

Fe基固溶體的電極電位隨Cr含量達到Cr/Fe原子比的1/8,2/8,3/8…n/8時，Fe的電極電位會發(fā)生跳躍式升高，腐蝕顯著減弱的現象。第13頁,共86頁，2024年2月25日，星期天3）合金元素對不銹鋼基體組織的影響

不銹鋼的基體組織是獲得所需力學性能和良好耐蝕性的保證，使鋼在室溫下得到單相組織（A，F），就可以減少微電池的數量，提高耐蝕性。合金元素影響：

1)一類是擴大奧氏體形成元素：C，N，Mn，Ni,Cu等

2)一類是F形成元素：Cr，Si，Ti，Nb，Mo等第14頁,共86頁，2024年2月25日，星期天1）、鉻元素的作用

Cr是決定鋼耐蝕性的主要元素↑固溶體電極電位表面形成致密氧化膜不銹鋼中主要合金元素的作用第15頁,共86頁，2024年2月25日，星期天碳的作用C：C↑，強度↑；↓冷變形性、焊接性、耐蝕性；綜合因素→碳量應盡可能地低

Ni是奧氏體形成元素，能形成單相奧氏體；能適當提高固溶體電極電位，提高耐蝕性；Ni的作用第16頁,共86頁，2024年2月25日，星期天其它元素的影響

鈦和鈮能形成穩(wěn)定碳化物，固定C，使Cr固溶于基體，從而防止晶界腐蝕

;

鉬能↑不銹鋼鈍化能力，擴大鈍化介質范圍，提高耐蝕性第17頁,共86頁，2024年2月25日，星期天

腐蝕介質對鋼耐蝕性的影響金屬的耐蝕性

與介質的種類、濃度、溫度和壓力等環(huán)境條件有密切的關系

必須根據工作介質的特點來正確選擇使用不銹耐蝕鋼鋼種。第18頁,共86頁，2024年2月25日，星期天1.在大氣、水、水蒸氣等弱腐蝕介質?！?gt;13％Cr2.氧化性介質，如硝酸。該介質含氧量較高，容易在鋼表面形成鈍化膜。

>17％Cr，Cr越高越好；3.非氧化性酸，如稀硫酸、HCl

。

介質含氧量低，鈍化膜不易形成。在>17％Cr基礎+Mo、Cu；4.強有機酸，在Cr-Mn型不銹鋼基礎上，加入Mo、Cu；5.含有Cl-離子的介質，如海水,Cl-很小，有很大腐蝕性。第19頁,共86頁，2024年2月25日，星期天奧氏體不銹鋼不銹鋼中用量最大的一種，約占不銹鋼的2/3優(yōu)點：較好的耐蝕性，冷加工成型性，可焊性缺點：強度低，不能淬火強化，易受晶間腐蝕，應力腐蝕分類（按化學成分分）：Cr－Ni，Cr－Mn－N，Cr－Mn－Ni－N第20頁,共86頁，2024年2月25日，星期天奧氏體不銹鋼特點如下：①具有很高的耐腐蝕性；②塑性好，容易加工變形成各種形狀鋼材；③加熱時沒有同素異構轉變，焊接性好；④韌度和低溫韌度好，一般情況下沒有冷脆傾向，有一定的熱強性；⑤不具有磁性；⑥價格較貴，切削加工較困難，導熱性差。第21頁,共86頁，2024年2月25日，星期天1）奧氏體不銹鋼的成分和組織特點

奧氏體不銹鋼的主要成分是Cr和Ni，18Cr和8Ni的配合是世界各國奧氏體不銹鋼的典型成分。Cr+Ni=18+8=26耐蝕電位接近n/8定律中n=2的電位值具有良好鈍化性能單相奧氏體組織

耐蝕性達到較高的水平.Cr、Ni再↑,更為優(yōu)良第22頁,共86頁，2024年2月25日，星期天

Ti、Nb:穩(wěn)定K，↑抗晶間腐蝕的能力；

Mo:

↑不銹鋼鈍化作用，↓點腐蝕傾向，↑鋼在有機酸中的耐蝕性；

Cu:

↑鋼在硫酸中的耐蝕性；

Si:

↑鋼抗應力腐蝕斷裂的能力。平衡態(tài)時為奧氏體+鐵素體+碳化物組織，經過固溶處理后獲得了單相奧氏體。第23頁,共86頁，2024年2月25日，星期天18－8不銹鋼組織平衡組織：

A＋F＋M23C6

緩冷沿ES線析出碳化物緩冷至SK線以下，還要發(fā)生部分γ相轉變?yōu)棣料鄪W氏體不銹鋼是經淬火熱處理得到：單一A

加熱到ES線以上，碳化物溶于A中，經淬火，高溫狀態(tài)的碳等元素的過飽和固溶體保持到室溫，得到單一的奧氏體組織第24頁,共86頁，2024年2月25日，星期天

奧氏體不銹鋼，在許多腐蝕環(huán)境中會發(fā)生晶間腐蝕，晶間腐蝕是奧氏體不銹鋼使用過程中最為普遍的破壞形式，也是其使用的主要缺點。這是由于晶界貧Cr造成的。

晶間腐蝕2）奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕第25頁,共86頁，2024年2月25日，星期天

圖不銹鋼晶界腐蝕貧Cr區(qū)示意第26頁,共86頁，2024年2月25日，星期天敏化處理

在Cr-Ni奧氏體不銹鋼中，在450~800℃的溫度范圍內時效處理，可考察不銹鋼晶間腐蝕的敏感性。敏化處理和敏感性的關系通常用TTS（Time-Temperature-Sensitivation）曲線來表示，如下圖所示.

敏化處理后，在金相組織上可看到碳化物沿著晶界析出.第27頁,共86頁，2024年2月25日，星期天

曲線1表示鋼開始產生晶間腐蝕，曲線2是由于時間充分，晶間腐蝕傾向已不再出現，也就是產生晶間腐蝕現象結束線。曲線包圍的區(qū)域是產生晶間腐蝕的溫度、時間范圍。奧氏體不銹鋼晶界的Cr23C6析出第28頁,共86頁，2024年2月25日，星期天

經強Ti、Nb合金化的不銹鋼稱為穩(wěn)定性鋼.

這種鋼析出K的溫度范圍可分成兩個區(qū)域，如圖。曲線1表示析出M23C6型K的富Cr區(qū)域，曲線3表示析出MC型K的區(qū)域，曲線2是產生晶間腐蝕的區(qū)域。在僅有MC型K析出的區(qū)域，沒有晶間腐蝕傾向。第29頁,共86頁，2024年2月25日，星期天

為防止A不銹鋼的晶間腐蝕，可采取以下措施：（1）降低鋼中的含C量；（2）加入Ti、Nb，析出特殊K，穩(wěn)定組織；（3）進行1050~1100℃的固溶處理，保證Cr含量；（4）對非穩(wěn)定性A不銹鋼進行退火處理，使A成分均勻化，消除貧Cr區(qū);（5）對穩(wěn)定性鋼，通過熱處理形成Ti、Nb的特殊K，以穩(wěn)定固溶體中Cr含量，保證含Cr量水平.第30頁,共86頁，2024年2月25日，星期天3.1.2生物醫(yī)用不銹鋼（一）分類、組成和性能最早用于植入材料的不銹鋼是18-8鋼，含鉻18%、鎳8%的鋼，即國際牌號304不銹鋼引入Mo，即316不銹鋼，Mo能夠改善在電解質溶液中的耐腐蝕性能。20世紀50年代，316不銹鋼的碳含量由0.08%降低為0.03%，即316L不銹鋼，進一步提高了其在含Cl-溶液中的耐蝕性能，降低了材料致敏性。即使是牌號為316L的不銹鋼在體內的特定環(huán)境下（如在高壓或缺氧區(qū)域）也會被腐蝕。它們適合做臨時裝置，如骨折固定板、固定螺釘或銷子。第31頁,共86頁，2024年2月25日，星期天醫(yī)用不銹鋼鋼種：18-8型（Cr-Ni型）（304不銹鋼）牌號：00Cr18Ni10，0Cr18Ni9，1Cr18Ni9，1Cr18Ni9Ti316不銹鋼：材料：18Cr-12Ni-2.5Mo

，主要化學成分：C≤0.08，Ni:10.0-14.0，Cr:16.0-18.5，Mo:2.0-3.0。

316L不銹鋼：我國材料牌號：022Cr17Ni12Mo2，主要合金元素成分：C≤0.03，Ni:12.0-15.0，Cr:16.0-18.0，Mo:2.0-3.0第32頁,共86頁，2024年2月25日，星期天（二）醫(yī)用不銹鋼的生物相容性特點產生的腐蝕作用造成其長期植入的穩(wěn)定性差，密度和彈性模量與人體硬組織相距較大，因此力學相容性差。溶出的鎳離子有可能誘發(fā)腫瘤的形成及本身無生物活性，難于和生物組織形成牢固結合等原因，應用比例呈下降趨勢。第33頁,共86頁，2024年2月25日，星期天（三）臨床應用1)齒科：鑲牙、齒科矯形、牙根種植及輔助器件2)人工關節(jié)和骨折內固定器械：人工肩關節(jié)、肘關節(jié)、全髖關節(jié)、半髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)、腕關節(jié)及指關節(jié)。各種規(guī)格的皮質骨和松質骨加壓螺釘、脊椎釘、骨牽引鋼絲、人工椎體和顱骨板等，3)心血管系統(tǒng)：各種傳感器、植入電極的外殼和合金導線，可制作不銹鋼的人工心臟瓣膜、血管內擴張支架等第34頁,共86頁，2024年2月25日，星期天3.2Co基合金鈷基合金是一種能耐各種類型磨損和腐蝕以及高溫氧化的硬質合金

（1）分類、組成和性能常用Co-Cr合金，分為兩類：Co-Cr-Mo合金：一般通過鑄造加工，鑄造Co-Cr-Mo合金已經在牙科方面應用了近幾十年，目前主要用于制造人工關節(jié)連接件；Co-Ni-Cr-Mo合金：一般通過熱鍛加工，鍛造Co-Ni-Cr-Mo合金主要用于制造關節(jié)替換假體連接件的主干，承受重載荷，如膝關節(jié)和髖關節(jié)等。

第35頁,共86頁，2024年2月25日，星期天種類狀態(tài)屈服強度(MPa)抗拉強度(MPa)延伸率(%)疲勞強度(MPa)鑄態(tài)5157259.0250CoCrMo固溶退火533114315.0280鍛造962150728.0897退火(ASTM)4506658.0－退火35086260.0345CoCrWMo冷加工1310151012.0586退火(ASTM)31086010.0－CoNiCrMo固溶退火240～655795～100050.0－冷加工時效158517908.0－退火27560050.0－CoNiCrMoWFe冷加工828100018.0－退火(ISO)27660050.0－表3.2典型鈷基合金性能第36頁,共86頁，2024年2月25日，星期天Co基合金發(fā)展歷史美國首先用Co基合金做牙科材料Vitallium(Co-27Cr-5Mo-0.5Ti)，在使用過程中這種合金不斷析出碳化物相而變脆。因此﹐把合金的含碳量降至0.3％，同時添加2.6％的鎳，以提高碳化物形成元素在基體中的溶解度，這樣就發(fā)展成為CoNiCrMo合金。第37頁,共86頁，2024年2月25日，星期天（2）生物相容性

從耐蝕性看，它也是所用醫(yī)用金屬材料中最好的，一般認為植入人體后沒有明顯的組織學反應。但用鑄造鈷基合金制作的人工髖關節(jié)在體內會引起松動，其原因是由于金屬磨損腐蝕造成Co、Ni等離子溶出，在體內引起巨細胞和組織壞死，從而導致患者疼痛以及關節(jié)的松動、下沉。鈷、鎳、鉻還可以產生皮膚過敏反應。（3）臨床應用

適合于制造體內承載苛刻、耐蝕性要求較高的長期植入件，其品種主要有各類人工關節(jié)及整形外科植入器械。在心臟外科、齒科等領域均有應用。（4）鈷基合金植入器件的制造加工方法三種：精密鑄造、機械變形加工和粉末冶金第38頁,共86頁，2024年2月25日，星期天

3.3鈦合金

（一）概述

鈦是目前已知的生物相容性最好的金屬之一，鈦易與氧反應形成致密氧化鈦(TiO2)鈍化膜，植入后引起的組織反應輕微。凝膠狀態(tài)的TiO2膜甚至具有誘導體液中鈣、磷離子沉積生成磷灰石的能力，表現出一定的生物活性和骨結合能力，尤其適合于骨內埋植。與不銹鋼及鈷基合金相比，鈦合金的彈性模量與人體骨最接近，引起的應力遮擋效應最小。第39頁,共86頁，2024年2月25日，星期天鈦合金植入物材料的發(fā)展進程鈦及其合金的發(fā)展可分為三個時代：第一個時代以純鈦和Ti6Al4V為代表；第二個時代是以Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb為代表的新型鈦合金，去除V元素；第三個時代則是一個開發(fā)與研制更好生物相容性和更低彈性模量鈦合金的時代，其中以對β型鈦合金的研究最為廣泛第40頁,共86頁，2024年2月25日，星期天純鈦：具有良好的抗腐蝕性能，但是強度較低，耐磨損性能較差，限制了它在承載較大部位的應用，目前主要用于口腔修復及承載較小部位的骨替換。Ti6Al4V：α+β具有較高的強度和較好的加工性能，70年代后期被廣泛用作外科修復材料，如髖關節(jié)，膝關節(jié)等。V被認為是對生物體有毒的元素，其在生物體內聚集在骨、肝、腎、脾等器官。毒性效應與磷酸鹽的生化代謝有關，通過影響鈉、鉀、鈣等離子與ATP酶發(fā)生作用，毒性超過Ni和Cr。Al元素對身體的危害是通過鋁鹽在體內的蓄積而導致器官的損傷，另外Al元素還會引起骨軟化、貧血和神經紊亂等癥狀。第41頁,共86頁，2024年2月25日，星期天Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb為了避免V元素的潛在毒性，80年代中期兩種新型α+β型醫(yī)用鈦合金Ti5Al2.5Fe和Ti6A7Nb在歐洲得到了發(fā)展這類合金的力學性能與Ti6Al4V相近。此類合金為骨彈性模量的4-10倍。第42頁,共86頁，2024年2月25日，星期天β型鈦合金新型醫(yī)用β型鈦合金的研制正在發(fā)展。90年代初期，Ti-Mo系β型鈦合金作為醫(yī)用材料得到了廣泛研究，如Ti-12Mo-6Zr-2Fe、Ti-15Mo-5Zr-3Al及Ti-15Mo-3Nb-0.3O(21SRx)。這類合金具有更高的拉伸強度、斷裂韌性，更好的耐磨損性能以及更低的彈性模量。這類合金的彈性模量雖然大大降低了，但仍為骨彈性模量的2-7倍，而且含有大量的Mo元素，動物實驗證明Mo元素會產生嚴重的組織反應。90年代初，Smith&NephewRichards公司研制的Ti-13Nb-13Zr合金中加入了Nb和Zr生物相容性元素。第43頁,共86頁，2024年2月25日，星期天（二）鈦合金性能

1.比強度高（低密度、高強度）；

2.耐腐蝕性強（表面形成一層穩(wěn)定的氧化膜）；

3.生物相容性好(能與骨和生命組織融合)；

4.彈性模量值小（約為其他金屬材料的一半，接近于天然骨）；

5.無磁性（不受周圍磁場的影響）；

6.易加工（能加工成各種產品）；

Ti-6Al-4V：在眾多生物醫(yī)用級別鈦金屬中，Ti-6Al-4V是目前臨床應用最廣泛的鈦合金。

第44頁,共86頁，2024年2月25日，星期天性能ⅠⅡⅢIⅤTi-6Al-4V抗拉強度/MPa240345450550860屈服強度/MPa170275380485795延伸率/%2420181510斷面收縮率/%3030302525Ti及Ti合金的機械力學性能(I~IV為純鈦)第45頁,共86頁，2024年2月25日，星期天鈦及鈦合金的缺點是硬度較低，耐磨性差。

為了改善鈦及鈦合金的耐磨性能，可將鈦制品表面進行高溫離子氮化及應用離子注入技術處理，通過引起晶格畸變，使制品表面呈壓力狀態(tài)，從而提高硬度和耐磨性。

離子氮化后的純鈦及鈦合金硬度分別提高7倍和2倍。純鈦的磨損率降低到原來的1/2，鈦合金降低到原來的1/6；氮化后鈦材的年腐蝕率是非氮化的1/3。動物實驗表明組織對表面滲氮鈦材反應輕微，材料無毒性。

利用離子注入技術，可在鈦及合金表面注入氯離子，使其表面生成氮化鈦陶瓷涂層，大大提高鈦制品的耐磨，耐蝕性能，如TC4氮化前后，制品在模擬體液中的年腐蝕率降低至原來的1/3。第46頁,共86頁，2024年2月25日，星期天（三）臨床應用

鈦及鈦合金具有優(yōu)異的使用特性，被世界公認是生物醫(yī)療領域中優(yōu)異的金屬材料，采用鈦及鈦合金制造的股骨頭、髖關節(jié)、肱骨、顱骨、膝關節(jié)、肘關節(jié)、肩關節(jié)、掌指關節(jié)、頜骨以及心瓣膜、腎瓣膜、血管擴張器、夾板、假體、緊固螺釘等上百種金屬件移植到人體中，取得了良好的效果，被醫(yī)學界給予了很高的評價。第47頁,共86頁，2024年2月25日，星期天我國人造關節(jié)材料的發(fā)展：1959—1960年，使用不銹鋼制造的人造股骨頭1972年起，開始采用了國產鈦及鈦合金制品，在人體承受力小的地方換接骨可以使用純鈦，在人體下肢因為負重大，關節(jié)活動量大，采用Ti-6Al-4V合金。世界各國的相關研究和大量的臨床治療實例，從深度和廣度上認可鈦及鈦合金是迄今為止最理想的人體植入物金屬材料，被當今醫(yī)療外科業(yè)列為繼不銹鋼、鈷基合金之后崛起的第三代金屬。

第48頁,共86頁，2024年2月25日，星期天（四）鈦和鈦合金植入器件的制造

鈦是非?；钴S的元素，在高溫有氧氣存在時甚至能燃燒，因此在高溫加工處理過程中，需在惰性氣氛或真空條件進行。氧容易擴散進入鈦使材料變脆，因此，任何加熱處理或鍛造都應在低于925°C的條件下進行。由于鈦易磨損，在機械加工過程中易黏刀，使加工變得困難，可采用電化學加工方法解決這一問題。第49頁,共86頁，2024年2月25日，星期天3.4其他合金3.4.1Ni-Ti形狀記憶合金Ni-Ti合金具有形狀記憶的特性，Ni-Ti合金在展現出奇特的形狀記憶效應：當溫度低于轉變溫度時進行塑性變形，然后溫度一升高，它就會回復到原始形狀。形狀記憶合金可用于拱形牙齒矯正、骨科整形、血管支架等。第50頁,共86頁，2024年2月25日，星期天雙程記憶合金花

是利用形狀記憶合金雙程記憶恢復特性制成的記憶合金花，開放溫度為>65℃~85℃，閉合溫度為室溫。第51頁,共86頁，2024年2月25日，星期天形狀記憶合金相變過程第52頁,共86頁，2024年2月25日，星期天第53頁,共86頁，2024年2月25日，星期天馬氏體相變的主要特征替換原子無擴散（成分不改變，近鄰原子關系不改變）切變（母相和馬氏體之間呈位相關系）形狀改變（拋光面顯示浮突）第54頁,共86頁，2024年2月25日，星期天馬氏體相變與熱彈性馬氏體相變只有溫度改變或外加應力的變化破壞了平衡，馬氏體才開始張大或縮小。好象馬氏體相變具有熱彈性，這樣馬氏體就稱為“熱彈性馬氏體”。不隨溫度或外加應力變化長大或縮小的馬氏體則叫做“非熱彈性馬氏體”.第55頁,共86頁，2024年2月25日，星期天非熱彈性馬氏體相變特點：相變時相變阻力高。馬氏體轉變需要有很大的過冷度產生大量晶體缺陷馬氏體逆轉變需要很大的過熱度加熱的過程中馬氏體將首先發(fā)生分解，難以直接逆轉變回母相第56頁,共86頁，2024年2月25日，星期天熱彈性馬氏體相變特點：馬氏體轉變只需要很小的過冷度。隨馬氏體形成、彈性應變能增加，缺陷少、界面可動，界面維持共格關系。馬氏體逆轉變不需要大量過熱，由彈性能驅動。加熱的過程中馬氏體直接逆轉變回母相。相變在化學驅動力和彈性應變能的動態(tài)平衡下進行。冷卻時馬氏體長大，加熱時馬氏體收縮，其長大和縮小受熱效應和彈性效應兩因素平衡條件的制約。表現出熱彈性。第57頁,共86頁，2024年2月25日，星期天形狀記憶效應的基本原理

所謂形狀記憶效應實質上是指將完全或部分M相變的試樣加熱到Af以上時，則其恢復到原來母相狀態(tài)所給予的形狀。其原因是：由于變形所引起的組織上的變化，因可逆轉變而完全消除。變形方式如何對于形狀記憶效應是很重要的，在具有熱彈性M可逆轉變的合金中，M內部的變形方式為孿生變形，M和母相間的變形體現為M本身的長大和收縮，即兩者均以界面移動的方式發(fā)生變形，這種界面的移動容易導致原來位向的完全恢復，而產生形狀記憶效應。第58頁,共86頁，2024年2月25日，星期天記憶合金的超彈性第59頁,共86頁，2024年2月25日，星期天第60頁,共86頁，2024年2月25日，星期天傳統(tǒng)合金的彈性是原子健的伸展；形狀記憶合金的超彈性是晶體結構的變化：由奧氏體變?yōu)轳R氏體。此應力誘發(fā)相變使材料的變形與被施加的應力形成響應，當應力去除時，合金回復到原始奧氏體狀態(tài)，變形消失，恢復原始形狀。第61頁,共86頁，2024年2月25日，星期天鈦金屬眼鏡架，特別輕，同一款式的眼鏡架，鈦架比傳統(tǒng)架輕一半。鈦金屬架具有超彈性，永不變形的優(yōu)點可將兩鏡腿向兩側拉伸直以與鏡圈成一條線，都不會拉斷，鼻梁扭曲90度也不會變形。鈦金屬架還有一個特點是：它化學穩(wěn)定性好，非常耐腐蝕。不易被污水浸蝕，也不會引起皮膚過敏，眼鏡新寵—鈦金架第62頁,共86頁，2024年2月25日，星期天NiTi合金醫(yī)學應用：管腔狹窄的治療（喉氣管狹窄、食管狹窄、膽道狹窄、尿道狹窄及閉鎖等）：支架安入管腔狹窄的部位后，能將狹窄管腔撐開，并與管壁相貼緊，固定好；其生物相容性好，長期安放對黏膜無明顯損傷；其高回彈性能順應管道的彎曲，對人體刺激小?？谇豢疲河眠@種材料做成的種植牙具有齒槽骨切口小，固定牢靠等優(yōu)點。骨科：人工關節(jié)，斷骨連接、彎曲脊柱矯正。血管外科：治療主動脈瘤、冠狀動脈和椎動脈狹窄等。第63頁,共86頁，2024年2月25日，星期天科學家還用記憶合金做成食道支架，對失去進食功能的食道癌患者來說，“記憶金屬”食道架能在喉部膨脹成新的食道，必要時只要向食道里加上冰塊，“食道”又會遇冷收縮，從而可輕易取出。人造食道第64頁,共86頁，2024年2月25日，星期天第65頁,共86頁，2024年2月25日，星期天第66頁,共86頁，2024年2月25日，星期天3.4.2齒科用金屬1)齒科汞齊汞齊是一種含有汞金屬成分的合金

。汞在室溫下是液態(tài)，它能與其他金屬反應，如銀、錫等，形成一種塑性物質，將其填入齲洞中，汞齊隨著時間推移發(fā)生硬化(凝固)。

固態(tài)合金的成分是：至少65%的銀，不超過29%的錫，6%的銅，2%的鋅和3%的汞。牙醫(yī)在填補齲洞時，一般先在機械研磨器中將微粒狀的固態(tài)合金和汞混合，材料變得容易變形，方便操作，然后填充進準備好的齲洞中。

第67頁,共86頁，2024年2月25日，星期天2)金

金和金合金的耐久性、穩(wěn)定性和抗蝕性，使它們在牙科上成為很有用的金屬

。

若合金含有75%(質量分數)或更多的金和其他貴金屬，它們就能保留其良好的抗蝕性。銅與金形成的合金可顯著提高其強度，鉑也能改善其強度，但添加量不能超過4%，否則合金的熔點會提高。銀的加入可抵消銅的顏色。加入少量的鋅可降低其熔點，并排除在熔化過程中形成的氧。含金量超過83%的合金較軟，用于鑲嵌，但其硬度太低而不能承受太高的壓力。金含量少的較硬合金，用于牙冠和尖端處，可承受較大的壓力。第68頁,共86頁，2024年2月25日，星期天3.4.3醫(yī)用鉭

鉭是化學活性很高的金屬，在生理或其它環(huán)境中，甚至在缺氧的狀態(tài)下，其表面都能立即生成一層化學性能穩(wěn)定的鈍化膜，從而使鉭具有很好的化學穩(wěn)定性和抗生理腐蝕性，并具有良好的生物相容性。鉭植入骨內能與周圍生成的新骨直接接觸。最近有研究表面，多孔金屬鉭在其表面進行生物活化處理后，植入動物體內，孔內有新骨生成，即具有誘導成骨性。這表明金屬鉭具有優(yōu)良的生物學性能[19]。

鉭可加工成板、帶、絲材，用于制造骨板、骨釘、夾板、縫合針等外科植入器械。臨床上，鉭片刻用于修補顱蓋，鉭絲可縫合神經、肌腱和血管，鉭板可用于修補骨缺損，鉭網可用于修補肌肉組織。此外，在血管金屬支架表面鍍一層鉭，能明顯提高血管支架的抗血栓性能。通過制造工藝控制和冷加工處理，鉭也可以用作承力部位的修復。第69頁,共86頁，2024年2月25日，星期天3.4.4醫(yī)用鉑

鉑是一種銀白色金屬，俗稱白金。晶體結構為面心立方。鉑具有高熔點、高沸點和低蒸氣壓的特點，鉑的化學性質穩(wěn)定。鉑的主要物理性能為：密度21.45g/cm2(20°C)，熔點1769°C，電阻率9.85μΩ?cm(0°C)[9]。

常見的鉑合金有鉑銥合金、鉑金合金和鉑銀合金，它們均具有極好的抗蝕性能和物理化學穩(wěn)定性。用鉑及其合金制造的微探針廣泛用于人體神經系統(tǒng)的各種植入性檢測和修復用電子裝置，心臟起搏器等。鉑及其合金的力學性能較差及其成本較高，限制了其在醫(yī)學上的推廣應用

。第70頁,共86頁，2024年2月25日，星期天3.4.5醫(yī)用鈮鈮為難熔金屬，熔點為2467°C，其晶體結構為體心立方晶體。純鈮的密度為8.5g/cm3。鈮和鉭的化學性質很相似，具有良好的化學穩(wěn)定性和耐腐蝕性能。鈮對很多腐蝕介質在冷態(tài)或稍熱的條件下不起反應，金屬鈮在空氣中只在溫度高于200°C時才明顯氧化。鈮和Cl、H、N分別在200°C、250°C、400°C時才發(fā)生反應。

鈮的力學性能見表3-6。鈮可通過鍛造、軋制或拉拔等工序加工成棒、板、管、絲和異性材等。鈮容易磨損和黏結刀具，切削加工時宜采用油水乳化液冷卻，以保持刀具刃部的鋒利性。醫(yī)用鈮一般采用高純鈮，鈮在醫(yī)學方面與鉭類似，如制髓內釘等。由于其來源和經濟原因，醫(yī)用鈮的用途受到很大的限制。性能完全退火冷加工拉伸強度/MPa275300~1000顯微硬度/MPa600~1100275延伸率/%-10~25表

3-6鈮的機械力學性能(ASTM,F560)第71頁,共86頁，2024年2月25日，星期天材料彈性模量(GP)拉伸強度(MP)可恢復形變（%）延伸率(%)壓縮強度(MP)疲勞極限(MP)硬度NiTi8011208＞2055865～68RA316L（退火)176～965520.850550343170～220HVTi6Al4V11090012900170～240Ta18034～1251～40CoCr（鍛造）213～248650～6908240～280300HV牙釉質50700265牙本質14400145皮質骨181401130幾種常見生物醫(yī)用金屬材料的力學性能對照第72頁,共86頁，2024年2月25日，星期天4.金屬植入物遭遇的問題

(1)在承受荷重的部位主要面臨磨損的問題，在不承受荷重的部位則主要面臨腐蝕的問題。腐蝕和磨損是金屬生物材料在人體復雜的環(huán)境中所面臨的主要兩大問題。第73頁,共86頁，2024年2月25日，星期天金屬植入物遭遇的問題

以全人工髖關節(jié)為例，目前骨干的材料以

Co-Cr合金和Ti-6Al-4V合金為主。股骨頭以磨損性質較佳的Co-Cr合金為主。超高分子量聚乙烯用于髖臼杯的部位，減少與金

屬間的磨損和應力第74頁,共86頁，2024年2月25日，星期天人工全髖關節(jié)的結構

人工髖關節(jié)假體仿照人體髖關節(jié)的結構，將假體柄部插入股骨髓腔內，利用頭部與關節(jié)臼或假體金屬杯形成旋轉，實現股骨的曲伸和運動。人工髖關節(jié)包括股骨柄、骨股頭、髖臼和聚乙烯襯。股骨體柄、股骨頭、髖臼采用鈦合金、鈷鉻鉬合金、不銹鋼制造，髖臼襯采用超高分子聚乙烯制造。不同金屬材料的髖關節(jié)的壽命分別為：a.鈦合金：使用壽命為10～15年；

b.鈷鉻鉬合金：使用壽命為10～15年；

c.超低碳不銹鋼材料：使用壽命為4～6年。第75頁,共86頁，2024年2月25日，星期天第76頁,共86頁，2024年2月25日，星期天人工股骨頭與人工髖臼杯摩擦產生的磨屑，會引發(fā)髖關節(jié)附近組織和細胞反應，造成手術失敗。人工髖關節(jié)內聚乙烯的磨損程度，被認為是造成骨質溶解的誘因之一，磨損所產生的微小顆粒應是造成失敗的重要原因。人工股骨頭與人工髖臼杯摩擦→產生磨損碎屑→磨損碎屑與細胞膜接觸→造成發(fā)炎細胞與蝕骨物質增加→細胞間質不易形成，骨的重建被破壞→促進骨的吸收與分解→人工髖關節(jié)與骨之間的結構不良→導致人工全髖關節(jié)的松脫與失敗。第77頁,共86頁，2024年2月25日，星期天不銹鋼因其抗蝕性低于Co-Cr合金和Ti合金，適合作暫時性植入材料如骨板、骨釘、骨螺絲等。純鈦和金因機械性能較低，無法承受大量荷重，故多為牙科用。Co-Cr合金在人體中是鈍化狀態(tài)，但是所釋放出的Co和Cr離子會引起植入物附近骨質溶解。