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解析医用金属材料的分类与应用

2017-04-22 09:22
木中君
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2、钴合金

医用钴合金(Co-based Alloy as Biomedical Material)也是医疗中常用的金属医用材料,相对不锈钢而言,医用钴合金更适合于制造体内承载条件苛刻的长期植入件,其耐腐蚀性比不锈钢高40倍。最早开发的医用钴合金为钴铬钼(Co-Cr-Mo)合金,其结构为奥氏体。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钴镍铬铝合金。钴合金主要被用以制作人工髋关节、膝关节、关节扣钉、接骨板、骨钉和骨针,如图2所示。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。1990年,我国将其列入国标 GB12417。

钴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,一般认为植入人体后没有明显的组织学反应。但是由于钴合金价格较贵,并且钴合金制作的人工髋关节由于金属磨损腐蚀造成Co、Ni等离子溶出,在体内的松动率较高,析出的Co、Ni元素又存在着严重致敏性等生物学问题,在体内容易引起细胞和组织坏死,从而导致患者疼痛以及关节的松动、下沉,应用受到一定的限制。近年来,通过表面改性技术来改善钴合金的表面特性,有效提高了其临床效果。

3、钛合金

医用钛合金(Ti-based- Alloy as Biomedical Material)是目前已知的生物亲和性最好的金属之一,上世纪40年代以来,钛和钛合金逐渐在临床医学中获得应用。1951年,人类开始用纯钛制作接骨板和骨螺钉。20世纪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。目前,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,被用以制作各种骨折内固定器械、人工关节、头盖骨和硬膜、人工心脏瓣膜、齿、牙床、托环和牙冠。其中,医用应用最多的钛合金是TC4(Ti-6A1-4V),该合金在室温下具有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。

钛及钛合金的密度在4.5g/cm3左右,几乎仅为不锈钢和钴合金的一半,密度接近人体硬组织,且其生物相容性、耐腐蚀性和抗疲劳性能都优于不锈钢和钴合金,是目前最佳的金属医用材料。钛及钛合金与人体的亲和性,源于植入后其表面致密的氧化钛(TiO2)钝化膜具有诱导体液中钙、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结合能力,尤其适合于骨内埋植。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体组织,尤其是Ti-6A1-4V合金中含有毒性的钒(V)可导致植入物的失效。为了改善钛及钛合金的耐磨性能,可对钛及钛合金制品表面进行高温离子氨化或离子注入技术处理,强化其表面耐磨性。近年来,开发出的一些新型钛合金(主要是β型合金),都注重减少了对人体有一定危害的元素,例如V和Al, 有效地改善了钛合金的生物相容性。

4、形状记忆合金

医用形状记忆合金(Shape Memory Alloy as Biomedical Material)的研究始于20世纪70年代,并很快得到了广泛应用。临床上应用最广泛的形状记忆合金主要有镍钛形状记忆合金。医用镍钛形状记忆合金的形状记忆恢复温度为36±2℃,符合人体温度在临床上表现出与钛合金相当的生物相容性。但由于镍钛记忆合金中含有大量的镍元素,如果表面处理不当,则其中的镍离子可能向周围组织扩散渗透,引起细胞和组织坏死。医用形状记忆合金主要用于整形外科和口腔科,镍钛记忆合金应用最好的例子是自膨胀支架,特别是心血管支架。

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