生物醫(yī)用材料系列生物醫(yī)學(xué)金屬材料

1、1,生物醫(yī)學(xué)金屬材料及其應(yīng)用,第一節(jié) 生物醫(yī)學(xué)金屬材料概述第二節(jié) 生物醫(yī)學(xué)金屬材料的條件與要求第三節(jié) 生物醫(yī)學(xué)金屬材料的種類第四節(jié) 生物醫(yī)學(xué)金屬材料的臨床應(yīng)用第五節(jié) 生物醫(yī)學(xué)金屬材料研究進(jìn)展及展望,2,第一節(jié) 生物醫(yī)學(xué)金屬材料概述,金屬材料應(yīng)用最早，已有數(shù)百年的歷史；半永久性或永久性地植入體內(nèi)，以置換被破壞的、病變的或部分磨損的組織，或進(jìn)行骨骼、關(guān)節(jié)、血管、牙齒等的修復(fù)。常用于植入用的生物醫(yī)學(xué)材料按其先后采用次序?yàn)椋航?/p>

2、屬、高分子聚合物和無機(jī)材料。,3,生 命 體 器 官 的 人 工 替 代—人 工 器 官 的 研 究 進(jìn) 展,公元前3500年古埃及人用棉花纖維, 馬鬃做縫合線;墨西哥的印地安人用木片修補(bǔ)受傷的顱骨;公元前2500年中國, 埃及的墓葬中發(fā)現(xiàn)假牙,假鼻,假耳;人類很早用黃金來修復(fù)缺損的牙齒;1588年用黃金板修復(fù)腭骨;1775年有記載用金屬固定體內(nèi)骨折;1800年有大量應(yīng)用金屬板固定骨折的報(bào)道;1809年有人用黃金制成種

3、植牙齒;1851年報(bào)道用硫化天然橡膠制成的人工牙托和腭骨…...,Diakon aus Paris, Alter 58 Jahre, ? 1761 in Genf(Grabungen Prof. Alt, Freiburg),Prof. Dr. H. F. Kappert Forschungsbereich für Experimentelle Zahnheilkundeder Universitäts-ZM

4、K-KlinikFreiburg i.Br.,5,金屬材料具有較高強(qiáng)度和韌性，適用于修復(fù)硬組織系統(tǒng)，如用金屬板修補(bǔ)顱骨缺損或鑲牙。隨后使用有抗蝕性能的不銹鋼、鈷基合金和鉭，組織反應(yīng)小，效果更佳。近年來鈦及其合金也被采用，其質(zhì)量輕，彈性模量與骨相近似，有推廣趨勢(shì)。應(yīng)用范圍擴(kuò)大：如人工關(guān)節(jié)、人工骨、矯形物、人工假體、血管套管吻合、腦止血夾等等。,6,堅(jiān)硬固定系統(tǒng),7,特點(diǎn)： 生物醫(yī)學(xué)金屬材料的用量小，品種多，規(guī)格不一， 要

5、求嚴(yán)，故其研制至為重要。 臨床上根據(jù)應(yīng)用部位和功能要求不同，有不同需求。 例如：體外用電子假手比較簡單，植入人體內(nèi)者要求就特別嚴(yán)格。,第二節(jié) 生物醫(yī)學(xué)金屬材料的條件與要求,8,9,一、基本要求： 作為金屬生物醫(yī)學(xué)材料，首先考慮植入人體， 其基本要求是同一的， 必須符合 “醫(yī)用級(jí)” 標(biāo)準(zhǔn)。包括以下幾方面：,10,1.生物相容性良好 即對(duì)人體的適應(yīng)性和親和性，包括組織、體液、力學(xué)和電學(xué)相容性等方面。 其中，首

6、先是生物相容性，即必須是最小的生物學(xué)反應(yīng)，無不良刺激，無毒害，不引起毒性反應(yīng)、免疫反應(yīng)，或干擾免疫機(jī)能，無變態(tài)和過敏，不致癌，不致畸，無炎性反應(yīng)，不引起感染，不被排斥。植入后需較長期存在，能有助于愈合及附著。,11,通過體外組織或細(xì)胞培養(yǎng)、毒性試驗(yàn)、動(dòng)物體內(nèi)埋藏、臨床應(yīng)用諸方面對(duì)材料進(jìn)行檢測(cè)評(píng)定。,12,炎性反應(yīng)：是組織愈合的自然變化。原因：單純磨損引起對(duì)組織的機(jī)械刺激，或手術(shù)創(chuàng)傷引發(fā)；植入物所引起。區(qū)分特點(diǎn)：

7、前者反應(yīng)早而短暫；后者植入物作為異物存留體內(nèi)，機(jī)體首先是試圖排斥，如不能排斥，就包裹起來，使之與正常組織隔絕，故反應(yīng)持續(xù)或較晚出現(xiàn)。,13,組織反應(yīng)：一般根據(jù)植入物周圍形成的包膜厚度及細(xì)胞浸潤數(shù)來評(píng)定。ASTM~F4的標(biāo)準(zhǔn)是動(dòng)物體內(nèi)埋藏6個(gè)月，纖維包膜厚度<0.03mm為合格。,14,毒性反應(yīng)：與物質(zhì)的化學(xué)作用有關(guān)；也與植入物濃度，即其溶解于體液的速度和清除率有關(guān)。一般可通過組織或細(xì)胞培養(yǎng)、急性和慢性毒性試驗(yàn)、溶血試驗(yàn)

8、等來檢測(cè)。血液相容： 指不引起凝血或溶血，不破壞紅細(xì)胞、血小板等。,15,2．足夠的能適應(yīng)應(yīng)力的機(jī)械性能 （I）足夠的強(qiáng)度和韌性，包括靜力和動(dòng)力學(xué)強(qiáng)度,能承受人體某部位機(jī)械作用力，不因生理環(huán)境而降低強(qiáng)度。 （II） 彈性疲勞、變形。 （III） 彈性與組織相容。 （IV） 磨損及摩擦性能與組織相容，即耐磨性好。 （V） 硬度與植入?yún)^(qū)組織相近似或適應(yīng)。 （Ⅵ） 表面光

9、潔度 。,16,3．理化性能穩(wěn)定 要求高度惰性，不因體液而有變化，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。 （I） 抗化學(xué)性和電離性腐蝕。 （II） 抗溶解和膨脹。 （III）無毒。 （IV）無熱源反應(yīng)。 （V） 無磁性？。 （Ⅵ）耐久性。,17,４．符合生物力學(xué)要求，設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)功能需要?！　〔牧媳旧砑捌骶咴O(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和技術(shù)操作均須符合人體生物力學(xué)要求。材料選擇與結(jié)

10、構(gòu)也不同，原則是仿生而不是解剖復(fù)制。５．易于加工造型和制作，易植入和再次手術(shù)。６．價(jià)格低廉，來源易得，便于推廣應(yīng)用。,18,仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：手指關(guān)節(jié)： 多用硅橡膠或復(fù)合體；大關(guān)節(jié)及矯形物：金屬材料或與其他材料配 伍；接骨鋼板長度與孔數(shù)因骨骼粗細(xì)而有不同；加壓鋼板及各型髓內(nèi)針也有其力學(xué)特性。,19,二、金屬材料的特殊要求１．腐蝕問題 　　金屬材料的缺點(diǎn)主要是腐蝕問題。腐蝕種類：一般腐蝕：移植在體內(nèi)的金屬浸泡在體

11、液，即血液、間質(zhì)液、淋巴和滑液中，均含有蛋白質(zhì)、有機(jī)酸、鹼金屬和無機(jī)鹽，其中Na+、K+、Ca2+、Cl-等離子均是電解質(zhì)可使金屬產(chǎn)生均勻或一般腐蝕。,20,21,點(diǎn)腐蝕：成分的不純引起；晶間腐蝕：組織的不均勻性引起；電離腐蝕：材料的混用引起。諸如不同金屬的混合、金屬的傳遞、體內(nèi)電解質(zhì)環(huán)境的差異和金屬內(nèi)部能量水平的差異；凹陷及縫隙腐蝕：接合處磨損引起；應(yīng)力腐蝕：應(yīng)力集中或疲勞性斷裂引起；間隙腐蝕：矯形物如接骨板與釘間作用引起。

12、,22,后果： 降低或破壞金屬材料的機(jī)械性能，導(dǎo)致斷裂，產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物，對(duì)人體有刺激性和毒性。,23,檢測(cè)方法： 檢測(cè)金屬的抗蝕性能，一般采用體外和體內(nèi)試驗(yàn)。體外試驗(yàn)包括用腐蝕液浸泡金屬試件測(cè)定腐蝕速度及電化學(xué)特性、金屬陽極分級(jí)特性試驗(yàn)，及測(cè)定金屬電動(dòng)勢(shì)與陽極反饋電動(dòng)勢(shì)等方法。體內(nèi)埋藏試驗(yàn)則用金相學(xué)、光譜分析和組織學(xué)觀察。一般工業(yè)用不銹鋼的腐蝕率標(biāo)準(zhǔn)為0.25?m/a，但醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn)更低，即<0.25?m/a，方可應(yīng)

13、用。,24,25,26,27,28,提高金屬的抗蝕性能措施： 主要依靠其表面保護(hù)層和光潔度。表面保護(hù)層借助鈍化來實(shí)現(xiàn)。鉻有最佳的鈍化性能，故合金中含鉻量高越易鈍化。金屬表面拋光越細(xì)，表面活化中心出現(xiàn)越晚，耐蝕性也隨之提高。除金屬材料必須具有良好的鈍化性能、合適的成分與結(jié)構(gòu)外，技術(shù)人員必須有正確的操作技術(shù)。 抗腐蝕性： 鈦合金 > 鈷基合金 > 不銹鋼,29,2、毒性問題　　純金屬的毒性與它在元

14、素周期表的位置有關(guān)。第Ⅱ族的鈹(Be）、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、汞(Hg)毒性強(qiáng)；第Ⅲ族的鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)和第Ⅳ族的錫(Sn)、硅(Si)、鈦(Ti)、鋯(Zr)完全無毒；第Ⅵ族的的鉻(Cr)、鉬(Mo)、鎢(W)也無毒性。,30,在第Ⅰ、Ⅴ及Ⅷ族中，同族中原子量小的銅(Cu)、釩(V)、砷(As)、銻(Sb)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)有毒，而同族中原子量大的金

15、(Au)、鉭(Ta)、鉑(Pt)未發(fā)現(xiàn)毒性。,31,金屬在周期表中的位置和生物反應(yīng),32,33,34,在有毒的純金屬單質(zhì)中加入某些金屬形成合金，可以減小甚至消除毒性。例如： 不銹鋼中含有毒的鐵、鈷、鎳，加入有毒的鈹（2%）可減小毒性；加入鉻（20%），則毒性消失，且抗蝕性增強(qiáng)。,35,金屬的毒性主要作用于細(xì)胞，可抑制酶的活動(dòng)，阻止酶通過細(xì)胞膜擴(kuò)散和破壞溶酶體。 利用測(cè)定乳酸脫氫酶(LDH)和6~磷酸葡萄糖脫氫酶(G~6~

16、PD)活性法檢測(cè)植入金屬對(duì)鼠類吞噬細(xì)胞的影響，可以表明；有毒金屬如鈷鎳和鈷鉻合金能損傷細(xì)胞，釋放 LDH，降低G~6~PD的活性，但鈦、鉻、鉬則能為吞噬細(xì)胞所耐受。 某些金屬成分還可以引起過敏反應(yīng)。,36,37,38,39,3、金屬的機(jī)械性能用于人工股骨的金屬股骨頭，要求強(qiáng)度不低于 540Mpa。人股骨頭抗壓強(qiáng)度為143Mpa，縱向彈性模量約為13.8Gpa，徑向彈性模量為縱向的1/3。健康骨骼還具有自行調(diào)

17、節(jié)能力，不易損傷或斷裂。金屬植入物在體內(nèi)不能自行調(diào)節(jié)。因此，金屬植入物在體內(nèi)代替骨骼時(shí)必須比骨骼有更高的強(qiáng)度和彈性模量以及抗疲勞性能。,40,一般使用的金屬彈性模量均應(yīng)比骨骼的大，否則過低不能獲得良好的骨折固定。但過大也會(huì)增加應(yīng)力集中，加上廢用原因，均可增加骨的吸收。據(jù)此，鈦合金（彈性模量110?103Mpa）即優(yōu)于不銹鋼（200?103 Mpa）。,41,對(duì)人工關(guān)節(jié)的金屬材料而言，抗疲勞和耐磨損是主要問題。以髖關(guān)節(jié)為例：靜力下

18、股骨頭負(fù)荷壓力從頭凸面呈放射狀向內(nèi)傳遞，應(yīng)力增高，股骨近端內(nèi)側(cè)承受的后應(yīng)力較大。如股骨頭負(fù)荷為45.36kg 時(shí)，股骨近端內(nèi)側(cè)骨皮質(zhì)應(yīng)力高達(dá)8.27Mpa. 由強(qiáng)大肌力牽拉，實(shí)際應(yīng)力比理論值還要大三倍。,42,人工股骨頭每年還要經(jīng)受3.65?106次交變載荷（每日一萬步計(jì)），故材料必須具有高抗疲勞和耐磨損性能。 一般鈷基合金較優(yōu)，鈦及其合金則較差，但可通過表面滲氮以增強(qiáng)?；蚋淖兤淠Σ僚迹唇饘俑叻肿泳酆衔?，以減小磨損

19、。,43,4、其他金屬材料可用熱、化學(xué)和放射等方法消毒滅菌，如配合應(yīng)用復(fù)合材料, 應(yīng)注意高分子材料不能耐熱或氣體消毒。在冶煉過程中，有無添加劑，采用何種工藝（包括電弧、真空冶煉、沉淀硬化、熱處理、冷加工等）, 均可影響質(zhì)量。 抗凝血或溶血、抗感染等特殊要求，也需不斷提高或解決。植入器件的固定松動(dòng)問題可試用多孔材料，以獲得生物鑲嵌內(nèi)鎖型固定。,44,全自動(dòng)微電腦蒸汽消毒爐,45,金屬材料的熱蒸汽消毒,46,第三節(jié) 生物醫(yī)學(xué)金屬

20、材料的種類,金屬有較高強(qiáng)度和韌性，故適用于修復(fù)置換人體硬組織，對(duì)骨科和口腔更顯重要?！?發(fā)展： 金屬→鋼材→不銹鋼→超低碳鋼→鈷基合金、純鈦及其合金。記憶合金、多孔鈦也在研制應(yīng)用.　 臨床上主要應(yīng)用不銹鋼、鈷基合金、鈦及其合金、鉭等。鈦及其合金的比重小，彈性模量與人骨接近，易被人體接受，較為理想。,47,一、金屬種類1、常用金屬生物醫(yī)學(xué)材料 （1）不銹鋼：為鐵基耐蝕合金，抗蝕性不如鈷基合金，但易加工，

21、且價(jià)格低廉。所含元素各有其所用，可增強(qiáng)并維持合金結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、強(qiáng)度和抗蝕性能。例如：鉬（2%-3%）可增加在氯離子(氯化物)環(huán)境中的抗力，抗點(diǎn)腐蝕。但不能過量，否則易斷裂。鉻可形成氧化鉻, 組成穩(wěn)定的保護(hù)用鈍化膜 。,48,鎳和鉻均穩(wěn)定奧氏體結(jié)構(gòu)，加入鎳（12%~14%）可得到單相奧氏體組織，防止轉(zhuǎn)化為低下性能的其他結(jié)構(gòu)。不銹鋼中要盡量減少Si、Mn等雜質(zhì)元素及非金屬夾雜物，否則影響其耐蝕性?！?目前最常用的不銹鋼為AISI

22、 316L超低碳不銹鋼，為體內(nèi)植入的陰性對(duì)照材料。 不銹鋼經(jīng)濟(jì)性好，加工簡易，可制成多種形體，如針、板、釘、螺釘、髓內(nèi)針、齒冠、三棱釘?shù)绕骷透鞣N人工假體。,49,（2）鈷基合金：為鈷基奧氏體結(jié)構(gòu)，即鉻鈷鉬合金，或稱釩鋼或活合金。可以鑄造或鍛造，但硬度大，加工制作工藝較困難。從耐蝕性和機(jī)械性能考慮，較不銹鋼優(yōu)越，是目前較優(yōu)良的材料。1929年已開始應(yīng)用于臨床。鍛造植入器件已列入ISO國際標(biāo)準(zhǔn)，并有硬、中、軟三種類

23、型。,50,鑄造鈷基合金含鈷高達(dá)30%，耐蝕性比不銹鋼高40倍， 加入5%~7%鉬可組織晶粒長大，提高耐蝕性，善疲勞性能。 因耐磨性能高， 適于制作人工關(guān)節(jié)的金屬間滑動(dòng)聯(lián)接。鍛造鈷基合金以Elgiloy為例，含鈷40%、鉻20%、鎳15%、鉬7%、錳2%、碳0.15%、鈹0.04%。 含鈦的鈷鉻鉬合金，更符合植入要求。 鈷基合金由于價(jià)格較高，加工比較困難。 應(yīng)用尚不普及。,51,（3）鈦及其合金：鈦質(zhì)輕，比重與人骨近似，純鈦強(qiáng)度

24、為390~490Mpa實(shí)驗(yàn)證明其耐蝕性和抗疲勞性能均優(yōu)于不銹鋼和鈷基合金，生物相容性好， 組織反應(yīng)輕微，表面活性好，鈦易與氧反應(yīng)形成致密氧化膜即氧化層穩(wěn)定，具有生物醫(yī)學(xué)材料的條件，適于植入，為較理想有發(fā)展的一種植入材料，也已列入ISO國際標(biāo)準(zhǔn).,52,53,純鈦為六角形致密微細(xì)結(jié)晶，強(qiáng)度低。加入釩的結(jié)構(gòu)為立方體。加入鋁成為穩(wěn)定的六角形結(jié)構(gòu)。加入鋁和釩的鈦合金，可提高強(qiáng)度和機(jī)械性能，而不損失其抗蝕性，故可推廣應(yīng)用，有取代不銹鋼和

25、鈷基合金之勢(shì)。,54,鈦及其合金對(duì)生理溶液和某些氨基酸有較強(qiáng)的耐蝕性，所用溶液有非緩沖液、Hanks緩沖生理液，加入尿酸、氨基酸的Hanks液。 對(duì)純鈦及其合金檢測(cè)，腐蝕極低。缺點(diǎn)：耐磨性能差，強(qiáng)度不如鈷基合金，加工困難需在真空下緊密鑄造。,55,為了提高耐磨性能和硬度，可將鈦制品表面進(jìn)行高溫離子氮處理，引起晶格畸變，表面具有壓應(yīng)力狀態(tài)，使硬度、耐磨及耐蝕性提高。離子氮化后純鈦及鈦合金硬度分別提高7和2倍；純鈦磨損率降低到原來的1/

26、12，鈦合金降低到原來的1/6。年腐蝕率氮化鈦材是非氮化鈦材的1/3。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明組織對(duì)表面滲氮鈦材反應(yīng)輕微，無毒性。,56,鎳鈦記憶合金為含鎳54%~56%的鎳鈦金屬間化合物，具有獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)、良好的生物相容性和生物力學(xué)性能。 70年代美國已利用其超彈性用于口腔整矯弓絲，我國也已開展研制并應(yīng)用。,57,用途：鈦及其合金已廣泛應(yīng)用于臨床。鈦網(wǎng)與鈦箔用于修復(fù)腦膜和腹膜，鈦板用于修補(bǔ)顱骨，可用于制作人工骨、關(guān)

27、節(jié)、人工心臟瓣膜支架、人工心臟部體、用于口腔面頜矯形和修補(bǔ)，牙和矯形物；腦止血夾、手術(shù)器械、醫(yī)療儀器和人工假肢等 。,58,三維鈦網(wǎng),59,眶周固定,60,（4）鉭及其合金 鉭及其合金性能良好，在40年代就用作植入材料。當(dāng)時(shí)只是從生物相容性和可塑性來考慮，近年來則用于可承受高負(fù)荷部體。鉭的耐蝕性高，除溶解在硝酸和氫氟酸的混合液、氫氟酸、熱的濃硫酸、苛性堿 (100%~110%) 外，其他試劑對(duì)鉭都不起作用。對(duì)人體無刺激，體

28、液對(duì)鉭的交變疲勞強(qiáng)度無影響。,61,鉭可做人工骨、矯形器件、釘、縫針和縫線，尤其是鉭絲縫合修復(fù)肌腱、神經(jīng)和血管。鉭片或箔可修復(fù)顱骨、腹壁。五氧化鉭與少量三氧化鐵的混合物還可用來加速血液的凝結(jié)。鉭的資源少，價(jià)格高，其推廣應(yīng)用尚受限制。,62,上述幾種常用金屬目前使用情況（以美國為例）：以不銹鋼占多數(shù)，約75%，鈷基合金次之，約20%，其余5%為鈦及其合金。每年金屬植入物達(dá)200萬件以上，髖關(guān)節(jié)即有5萬件以上。,63,二、新材

29、料開發(fā) 在滿足應(yīng)用和研究上，主要包括工藝改進(jìn)，新的合金材料和復(fù)合材料等。1、Cop Ⅰ及Ⅱ型不銹鋼 為彌補(bǔ)和提高316型不銹鋼的抗蝕性和強(qiáng)度，利用沉淀硬化法研制出Cop型不銹鋼，I型是鐵基的，含鈷、鉻、鎳各20%、鉬4%，加入磷0.2%以產(chǎn)生時(shí)效強(qiáng)化。其強(qiáng)度及耐磨性不亞于鈷基合金，臨床上已用于人工關(guān)節(jié)。,64,2、多孔材料人工假體的固定一般用機(jī)械法（嵌入、螺釘）或粘合劑，均非生物性固定，有可能出現(xiàn)假體松動(dòng)或下沉，

30、骨水泥且可能導(dǎo)致骨質(zhì)溶解。七十年代以來，已在研制多孔材料并應(yīng)用，如 多孔鈦、鈷基合金及陶瓷， 由其粉末或纖維燒結(jié)涂層制成，減少了植入物與骨間彈性模量的差別，骨質(zhì)長入，獲得生理結(jié)合。,65,3、形狀記憶合金50年代初已發(fā)現(xiàn)金(Au)、鎘(Cd)和銦(In)、鉈（Tl）合金有記憶效應(yīng)；1963年美海軍武器實(shí)驗(yàn)室的Buehler發(fā)現(xiàn)鎳鈦合金也具有記憶效應(yīng)才引起重視；1969研制成功鎳鈦記憶鉚釘；70年

31、代進(jìn)行了廣泛研究；,66,80年代發(fā)展鐵基及不銹鋼記憶合金、鈦鎳鉑(Ti~Ni~Pt)高溫記憶合金、寬滯后記憶合金、有機(jī)記憶合金和陶瓷記憶合金。,67,記憶合金有單向、雙程、全程記憶三種：單程記憶為不可逆記憶效應(yīng)，回復(fù)力大；雙程記憶同時(shí)有高溫和低溫的狀態(tài)，溫度升降可逆地反復(fù)；全程記憶為加熱時(shí)為高溫相形狀，冷卻時(shí)則形成與高溫相形狀相同但方向相反的現(xiàn)象。,68,鎳鈦合金是鎳（Ni）和鈦（Ti）等原子比（1：1） 的金

32、屬間化合物，具有形狀記憶效應(yīng)和超彈性，包括低溫變形和升溫回復(fù)兩個(gè)過程。即在某一溫度成形后,在室溫下可任意塑型，當(dāng)溫度回復(fù)到成形溫度后，又恢復(fù)到原來的形狀。,69,表15-7 鎳鈦記憶合金的機(jī)械性能,70,表15-8 鎳鈦記憶合金的物理性能,71,用途：人工關(guān)節(jié)材料，矯正脊柱畸形，制作加壓鋼板，止血夾、髓內(nèi)針、血管栓塞器、血栓過濾器、心血管擴(kuò)張支架、牙齒矯正器、齒根固定器、牙頜整矯、尿道擴(kuò)張支架、避孕器 \ 輸卵

33、管夾、騎縫釘?shù)取?72,4、復(fù)合材料　　為了減少 金屬/金屬 的磨損與過敏反應(yīng)，臨床上已盡量改用人工假體的 金屬/高分子 或 陶瓷/高分子 等復(fù)合材料，或 混用多種材料 制成植入器件，碳素材料也可替代陶瓷制成復(fù)合體。,73,5、齒科材料修復(fù)牙齒用的合金除銀之外主要有鎳鉻、鈷鉻和烤瓷合金。鎳鉻合金（軟質(zhì)）適于制作齒冠、冠橋等部件；鈷鉻合金（中硬質(zhì)）適于作齒環(huán)、基托，硬質(zhì)者則適于作舌桿、整體部件,74,75,烤瓷合金是用于制造

34、烤瓷固定修復(fù)體的底層合金。先用緊密鑄造制成帽狀冠，在表面涂上烤瓷，高溫?zé)Y(jié)。強(qiáng)度與耐磨性高于塑料牙，又能按牙齒色調(diào)配制。高銅銀合金粉系用于齲齒治療。為了解決銀合金粉與汞調(diào)和中汞蒸氣的危害，已制成銀汞膠囊，效應(yīng)更佳。,76,77,銀汞合金導(dǎo)致的“重復(fù)充填”,78,79,牙槽骨內(nèi)種植體,80,三、國內(nèi)生物醫(yī)學(xué)金屬材料研究近況 以不銹鋼為基礎(chǔ)，316、316L、317、含氮不銹鋼、 鈷基合、鈦及其合金、表面滲氮處理鈦材、記憶合金、

35、齒科材料、復(fù)合材料及其他生物醫(yī)學(xué)材料均在研制應(yīng)用，基本取代了進(jìn)口。人工假體及矯形物的設(shè)計(jì)制作，如全義齒系列成品、梯形或波形及Z形內(nèi)固定鋼板、記憶合金制品、多孔材料等均已開展并應(yīng)用，更符合生物力學(xué)要求 。,81,第四節(jié) 生物醫(yī)學(xué)金屬材料的臨床應(yīng)用,金屬材料用于人體已有數(shù)百年歷史，特別是用于硬組織系統(tǒng)。早在1565年Fetronnius應(yīng)用金板修復(fù)頭蓋骨破裂。17世紀(jì)中葉已用金、銀、銅絲縫合裂傷,其后有用鐵絲做骨折內(nèi)固定。,82,18

36、27年Rodgess用銀絲結(jié)扎骨折一端，以后可以拔出。1857年在 Hansmann的薄鋼板加用鍍鎳鋼螺釘(1886)的基礎(chǔ)上改用金屬板，隨 后又加用螺釘治療骨折。1900年以來試用鉛、銅、鎂、銀等材料，均因強(qiáng)度不夠或性能不適應(yīng)，不能取得良好效應(yīng)。從而開始研究金屬的毒性和電離作用等問題。,83,Lambotte(1907)研制各種內(nèi)固定物，并制成釘、板、絲、桿、螺帽等器件。Lane(1914)設(shè)計(jì)出各種固定器。Sherman制成與

37、骨形狀相適應(yīng)的曲形鋼板。直到 Venable 及 Stuck (1936) 采用不銹鋼材料（8Cr8Ni)，才得以解決長期植入問題。,84,應(yīng)用范圍：金屬材料最常用于口腔、矯形外科等硬材料，諸如鑲牙、口腔整矯、修補(bǔ)顱骨、人工關(guān)節(jié)、人工骨、內(nèi)固定矯形物。還可廣泛用以制作醫(yī)療儀器、器件和手術(shù)器械，例如腦及動(dòng)脈瘤血管夾、心臟瓣膜支架、體外循環(huán)過濾器、血管吻合輪及釘、避孕環(huán)等。某些金屬在制藥上有重要作用。,85,一、人工關(guān)節(jié)和人工

38、骨　　　人工關(guān)節(jié)和人工骨是為置換某一肢體關(guān)節(jié)或骨骼而發(fā)展起來的，適應(yīng)于骨和關(guān)節(jié)嚴(yán)重破壞，引起疼痛、功能障礙或喪失的患者。,86,骨關(guān)節(jié)需負(fù)重與活動(dòng)，如髖關(guān)節(jié)負(fù)重1470N~1960 N，指（趾）10N~15N，沖擊時(shí)還可增加三倍，另外還有應(yīng)力影響。人工關(guān)節(jié)假體必須耐用，易固定，對(duì)人體無害，能保持良好功能。材料必須符合標(biāo)準(zhǔn)要求，性能良好，應(yīng)具備荷重好、磨損少、彈性適應(yīng)、,87,設(shè)計(jì)合理，適應(yīng)力學(xué)要求，并易于加工、制作和操作。 目

39、前常用金屬為不銹鋼、鈷基合金及鈦合金，或與高分子及無機(jī)材料復(fù)合應(yīng)用?！栴}：感染、松動(dòng)、脫位、磨損等。 解決： 有賴于關(guān)節(jié)生理基礎(chǔ)、材料科學(xué)、生物力學(xué)等學(xué)科的協(xié)作。,88,強(qiáng)度 ：金屬剛性大大超過人骨，而韌性不足。運(yùn)動(dòng) 自由度以接近生理情況而又穩(wěn)定為妥，不宜過度。設(shè)計(jì)：要求 應(yīng)能使用50年而少損毀，低摩擦、低磨損，結(jié)構(gòu)簡單，復(fù)合仿生而非解剖復(fù)制，固定牢靠。,89,1、髖關(guān)節(jié)　　早在1960年Charnley即研制全髖關(guān)節(jié)置

40、換，關(guān)節(jié)部件：高密度聚乙烯髖與金屬股骨頭組成，粘合劑：（骨水泥即聚甲基丙烯酸甲酯）固定。 提供一低摩擦關(guān)節(jié)成形，取代病變關(guān)節(jié)功能，減輕癥狀和病廢。,90,表15-10 常用髖關(guān)節(jié)假體,91,半關(guān)節(jié)成形術(shù)：適應(yīng)于>60歲的股骨頸骨折，某些 股骨頭無菌壞死。此包括半內(nèi)假體和雙動(dòng)假體置換。表面置換：是半關(guān)節(jié)與全關(guān)節(jié)成形的折中方法，用于嚴(yán)重關(guān)節(jié)炎但股骨頭骨質(zhì)尚正常者，適應(yīng)于青年患者。如失敗還可以進(jìn)一步做全髖置換或融合來

41、補(bǔ)救。,92,全髖置換：對(duì)改善癥狀有效，但要嚴(yán)格選擇適應(yīng)癥。所用材料在半關(guān)節(jié)用金屬，雙動(dòng)頭外層為超高分子聚乙烯，內(nèi)層及柄為金屬。全關(guān)節(jié)則有金屬/金屬，高分子/金屬，陶瓷/陶瓷 等配伍。同一材料如 金屬/金屬，陶瓷/陶瓷配伍磨損大，已放棄不用，而多用復(fù)合材料。,93,所用金屬為不銹鋼、鈷基合金和鈦合金，各具優(yōu)點(diǎn)，均有采用。多孔材料已研制并應(yīng)用，改善假體的固定。鈦合金表面滲氮處理，可增加耐蝕和耐磨性能。假體柄部改呈珊瑚面或采用多孔

42、材料，固定更優(yōu)越。,94,2、膝關(guān)節(jié) 膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定，借助于肌肉跨越關(guān)節(jié)和韌帶以獲得穩(wěn)定。故人工關(guān)節(jié)假體的設(shè)計(jì)必須考慮到無需軟組織仍能穩(wěn)定功能的制約措施。 常見并發(fā)癥社假體松動(dòng)、脛骨斷裂或折紋和感染。磨損和生物學(xué)固定也是需要改進(jìn)和解決的問題。 人工膝關(guān)節(jié)有軌道型、絞鏈型、幾何型和解剖型等類型。目前臨床應(yīng)用有以下幾類：,95,表15-11 膝關(guān)節(jié)假體設(shè)計(jì)與類型,96,3、其他關(guān)節(jié) （1）指掌及指間關(guān)節(jié)：硅橡

43、膠人工關(guān)節(jié)的改良切除關(guān)節(jié)成形術(shù)效果頗佳。也有采用金屬/塑料鉸鏈型設(shè)計(jì)（Steffee、Se.georg、Schultz)。 （2）拇趾的跖趾關(guān)節(jié)：硅橡膠彈性體假體可消除疼痛，改善外形，而運(yùn)動(dòng)居次要。已有應(yīng)用。,97,（3）肩肱關(guān)節(jié) 半關(guān)節(jié) 成形術(shù)已早應(yīng)用(1955)。常用金屬制Neer假體，必須保留適當(dāng)?shù)募∪夤δ?。全關(guān)節(jié)常用金屬/高分子復(fù)合組件。 （4）踝關(guān)節(jié)。 （5）肘關(guān)節(jié) 有解剖型和

44、鉸鏈型兩種。,98,99,存在問題：1、設(shè)計(jì)問題 　　缺乏合適的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠頇z測(cè)假體設(shè)計(jì)。如不符合要求，用于人體效果欠佳。設(shè)計(jì)一般要求結(jié)構(gòu)簡單，符合生物力學(xué)，仿生功能優(yōu)越，便于操作。2、磨損率及磨損顆粒問題　　磨損率高將導(dǎo)致假體植入失敗，磨損顆粒則可沉積與淋巴結(jié)中。,100,3、松動(dòng)問題　　此與技術(shù)和固定方式有關(guān)。粘合劑可降解，促使骨質(zhì)溶解，不夠理想。多孔材料則可使獲得內(nèi)鎖型生物鑲嵌，固定可靠。4、脫位問題　　主要

45、是技術(shù)問題。安裝不正確，損傷肌力，疲勞斷裂都是發(fā)生脫位的原因。5、感染問題　　感染意味治療失敗。主要在于預(yù)防。,101,二、矯形物　 金屬材料：不銹鋼、超低碳不銹鋼、鈷基合金、鈦合金、表面滲碳處理合金,102,設(shè)計(jì)：,直形板加螺釘，根據(jù)骨折部位與形狀應(yīng)用絲、針釘、板等器件。特殊部位還有特制或特形制品，例如三棱釘用于股骨頸，鵝頭釘用于股骨粗隆間,螺栓用于踝部，L形板用于踝部。 髓內(nèi)針固定長骨骨折，各種形狀（V、◇

46、、○、△）的髓內(nèi)針，選用適當(dāng)，效果滿意。已采用記憶合金制作。,103,1、長骨骨折內(nèi)固定主要應(yīng)用鋼板螺釘或髓內(nèi)針。常用髓內(nèi)針有V形、三葉釘、菱形切面釘、梅花型、褶紋釘，多用于股骨及脛骨。圓形針、三角針用于尺、橈、肱及腓骨。Sage釘用于尺橈骨，Lottes針用于脛骨，Ender針也用于脛及股骨。,104,2、小的長骨即短骨　 常用細(xì)Kirschner針交叉固定，比較髓內(nèi)針或穿過骨骺或關(guān)節(jié)為佳。小型鋼板也有應(yīng)用。3、脊椎骨

47、折　 內(nèi)固定物幫助整復(fù)和固定脊椎骨折遠(yuǎn)比一般手法修復(fù)、石膏固定優(yōu)越。目前多用Harringlon棒、Luque棒、Dick釘板、Steffee釘板,也有應(yīng)用記憶合金棒者。,105,4、髖部骨折股骨頸骨折可用針狀器件如knowls、Deyerle或Hagie針。陳舊性骨折應(yīng)用Mcmurray截骨后可加用鋼板固定如骨已壞死或頸被吸收，則行人工股骨頭置換。,106,5、膝部骨折 關(guān)節(jié)內(nèi)骨折要求關(guān)節(jié)面的解剖復(fù)位，可用螺栓或

48、葉片鋼板固定。脛骨棘骨折則用鋼絲縫合于位。 內(nèi)固定待改進(jìn)的問題：不易獲得足夠穩(wěn)定以容許鄰近關(guān)節(jié)活動(dòng)，粉碎骨折更如此近關(guān)節(jié)的骨折，即使廣泛顯露，斷端骨質(zhì)也不易固定；髓內(nèi)針也常因粉碎骨折或位置過高或低而不易固定。為避免內(nèi)固定手術(shù)的復(fù)雜性和不足，采用骨外固定器穿針固定治療。,107,三、其他人工假體凡植入體內(nèi)以替代或輔助某器官或組織功能的器件或部件均屬人工假體。黃金曾被稱為鑲牙材料之王。其理化性能良好，加工制作與牙外形一

49、致。但由于價(jià)高，已被不銹鋼或鈦合金所替代。,108,修復(fù)牙齒的金系金屬是以金銀銅為基礎(chǔ)，加入鉑可使變軟，也有以鈀代鉑。充填牙齒材料常用銀汞或高銅銀合金。補(bǔ)形材料主要是微孔鈦網(wǎng)，厚0.5mm，網(wǎng)眼直徑1.1mm，孔間距3mm,用于修補(bǔ)顱骨。鈦箔厚0.02mm,則修補(bǔ)腹膜。,109,金屬材料還用于心臟起搏器外殼、心臟瓣膜支架、人工心臟（即血泵）、人工腎、體外氧合器、胰島素灌輸泵、人工錐體等高性能器件。 鎳鈦記憶合金也用于牙頜矯形、顱骨

50、鉚釘、接骨騎縫釘、髓內(nèi)針、腦止血夾等。,110,上頜固定器,111,牙槽骨重建專用鈦網(wǎng),112,下頜牽拉器,113,四、藥物　某些金屬，尤其是稀有金屬及其鹽類和化合物還具有藥物作用。如暈船藥(鈰)、抗貧血藥劑(鈰、鉺鹽、氧化鍺)、治療糖尿病(氧化鈰)、漆中毒、腎結(jié)石(鋰鹽)、精神病(磷酸鋰)，,114,用作熒光劑（鑭、銪、釹、鋱、釓的氧化物)、 防腐劑 (釹和鐠的水楊酸鹽)、 掃描劑 (鐿169-DTPA)、 催化劑

51、(鈀、鉑）用于維生素和抗菌素：四氧化鋨合成激素可的松，鋰用于維生素A和腎上腺皮質(zhì)素，二氧化硒可用于可的松和煙酸)、,115,凈化劑 (氫氧化鋰)、去垢劑（硒）、止血?jiǎng)?、消毒劑（碲）、安眠劑（銣、銫）、還用于治癌（鉑鉻合物）。,116,五、醫(yī)療儀器材料：鍍鎳黃銅，不銹鋼，鈦合金。鈦過濾器用作四咪唑精制工序生產(chǎn)高效驅(qū)蟲劑，抗腐性高，過濾精度優(yōu)良。鈦陽極作污水處理，使食鹽電解生產(chǎn)次氯酸鈉，消毒飲用水。鈦合金可制

52、作活性鹼性鈣離子水生成器凝血過濾器，助聽器中的轉(zhuǎn)換器揚(yáng)聲器 。,117,某些金屬的特性，可用于某些特殊性能的儀器。釔鋁石榴和鈮可作激光材料，稀土元素銩、銪、鈰、钷、銣、銫的放射性同位素作放射源或球管材料，含鑭氧化物(La2O3)的光纖玻璃用于內(nèi)窺鏡，永磁鉑合金用于磁療和助聽器，紳化鎵和鍺作探測(cè)器，鋰和鉑制作高能微電池等。,118,六、手術(shù)器械　 大部分手術(shù)器械均用金屬材料不銹鋼制作。某些精密器械已開始采用性能更

53、優(yōu)越的金屬材料。鈦合金用于制作腦動(dòng)脈止血夾，有彈性和夾持力。鈦和鉭均已制作吻合釘，用于血管吻合器。,119,鉭、鈮及鎢絲用于縫線，修復(fù)肌腱、血管和神經(jīng)。磁性鉑和鋯合金也用作縫線。憶合金制作動(dòng)脈夾、輸卵管夾、避孕環(huán)、矯形絲和桿、鉗合器。,120,自鉆螺絲,2.4mm下頜骨骨折重建系列,121,固定工具,122,第五節(jié) 生物醫(yī)學(xué)金屬材料研究進(jìn)展及展望,生物醫(yī)學(xué)金屬材料科學(xué)是一門邊緣學(xué)科，隨著它的崛起，使替代醫(yī)學(xué)已從想象成為現(xiàn)實(shí)，

54、從而為傷殘重建和延長生命作出貢獻(xiàn)。研究對(duì)象為人和生命，更需有關(guān)學(xué)科通力協(xié)作，進(jìn)行艱苦細(xì)致的研究和探索，以開拓未來 ?！　±щy和問題，首先是材料問題，然后才考慮其他諸如設(shè)計(jì)、試制、生物學(xué)實(shí)驗(yàn)和外科技術(shù)等問題。,123,一、材料的改進(jìn)和探索 1、復(fù)合體的應(yīng)用　　　為了減少金屬/金屬關(guān)節(jié)體組合的摩擦特性和過敏反應(yīng)，盡量改用復(fù)合金屬/高分子配伍的組件，或金屬表面高分子涂層的復(fù)合假體。碳素材料也可與金屬復(fù)合應(yīng)用。,124,2、新

55、材料開發(fā)多孔材料即所謂泡沫金屬，使獲得內(nèi)鎖型生物鑲嵌，固定更牢。國內(nèi)已研制出微孔鈦、鈷基合金及多孔陶瓷。齒科金屬修復(fù)用合金（鎳鉻及鈷鉻合金）、烤瓷合金、矯形用記憶合金、高銅銀合金、銀汞膠囊均有進(jìn)展。鎳鈦記憶合金已制成多項(xiàng)器件并應(yīng)用。,125,二、設(shè)計(jì)的進(jìn)展1、設(shè)計(jì)的改進(jìn)　　人工假體的目的是替代原有組織和器官，恢復(fù)或改善其功能。其設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)并非仿制解剖原型，而是仿生。,126,以人工髖關(guān)節(jié)假體為例，由于管狀骨自然彈性

56、的減少，以及非生理性彎曲力的存在，有設(shè)計(jì)；雙杯置換(Wagner)，股骨頭杯用金屬，髖臼用聚乙烯，粘合劑固定。由于保留了股骨頭，必要時(shí)可予更換，而不需全部取出。 雙動(dòng)關(guān)節(jié)增加了滑動(dòng)面，提高了抗磨損性能 。,127,2、不用粘合劑的固定假體的固定一般采用機(jī)械嵌入、螺釘和粘合劑等方法，均存在一些問題。如機(jī)械法不夠牢固，粘合劑可使骨溶解。不夠理想。有用擴(kuò)大假體表面以改善負(fù)重分布，減輕壓力，使獲得穩(wěn)定，效應(yīng)也不滿意。,128,多孔材

57、料人工關(guān)節(jié)假體可獲得較好的內(nèi)鎖型生物鑲嵌性固定，大有改善。 問題：多孔材料、接合面表面處理； 關(guān)節(jié)面更換、 多孔結(jié)構(gòu)與長入骨的疲勞斷裂的關(guān)系等。,129,3、多股鋼絲研制　　鋼絲在臨床上應(yīng)用廣泛，用于骨折內(nèi)固定、肌腱修復(fù)、縫合胸骨、口腔整矯?！　〔讳P鋼絲為單股，強(qiáng)度有限，甚至可斷裂。 第四軍醫(yī)大學(xué)唐都醫(yī)院骨科和陜西省鋼鐵研究所協(xié)作，已研制出各型單股和多股不銹鋼絲，取

58、用優(yōu)質(zhì)不銹鋼(Ocr18Ni8Mo2或OOCr19Ni13Mo3)，供矯形外科、整形、胸外、口腔等科應(yīng)用，效果特佳 。,130,三、材料的檢測(cè)及標(biāo)準(zhǔn)化　　為了確保安全。不少國家都加強(qiáng)了對(duì)生物醫(yī)學(xué)材料的管理，禁止將工業(yè)材料用于臨床，并嚴(yán)格審批。英國制定了醫(yī)藥法（1968），由衛(wèi)生和社會(huì)福利部醫(yī)學(xué)處執(zhí)行。美國也制定了醫(yī)用器具的法規(guī)（1976），劃歸美國食品和藥物管理局(EDA)管理。 澳大利亞：