第三章 医用金属材料

CoNiCrMoWF e
3.3
常用医用金属材料
3.3.2 Co基合金 1）分类与概念
Co基合金如同其他合金材料一样，强度提高的同时降低
了塑性。其弹性模量不随极限抗拉强度的变化而变化的。弹
性模量范围从220GPa到234GPa。铸造和锻造合金都具有优良 的抗蚀性能。表中四种钴基合金，只有钴铬钼合金可以在铸 态下直接应用，其他三类均为医用锻造钴基合金。
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常用医用金属材料
3.3.1 不锈钢
4)加工处理
热处理原则：不应导致合金在晶界形成Cr4析出，通常热处理 会引起成分的变化，这个问题可通过控制加热 的均匀性以及合理的热处理工艺加以解决。
在热处理过程中不希望出现的结果就是在表面形 成氧化层，这必须通过化学、酸蚀或机械喷砂的方法 去除。去除氧化层后，部件表面被磨光成镜面或无光 泽的端面，然后清洗，去掉油污，在硝酸中形成表面 钝化层，在包装和杀菌前需要再清洗一次。
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3.3.2 Co基合金 1）分类与概念 Co-Ni-Cr-Mo合金是一种最有名的钴基合金，它大约
含有Ni35%(质量分数)和Co35%(质量分数)，这种合金在压 力下对海水(含有Cl-)有很强的抗蚀性，冷加工可大大增加 它的强度。但在提高材料力学性能的同时，也增加了材料 的加工难度。因此，现在采用热锻方法制造这种合金的植
3.2 医用金属材料的特性与要求
• (1)生物相容性: 即生物学反应最小
无不良刺激、无毒害， 不引起毒性反应、免疫反应， 不致癌、不致畸， 无炎性反应，不引起感染，不被排斥。
有助于愈合和附着。
• (2)优良的机械性能: • 强度与弹性模量（与生物体匹配） （作为摩擦部件的医用金属材料，其耐磨性直接影响到 • 耐磨性 植入器件的寿命） • 抗疲劳性能
•
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3.3.3 钛和钛合金
• 表3.3 Ti金属和Ti合金化学成分组成(以质量分数计)
元素 氮 碳 氢 铁 氧 钛
Ⅰ 0.03 0.10 0.015 0.20 0.18
Ⅱ 0.03 0.10 0.015 0.30 0.25
Ⅲ 0.05 0.10 0.015 0.30 0.35 平衡
表1
几种主要的不锈钢的组成、性能和组织
◆
◆
铁素体和马氏体不锈钢的耐蚀性随含碳量的降低和含铬 量的增加而提高。
3Cr13和 4Crl3型马氏体不锈钢用于医疗器械，如 刀、剪、止血钳、针头等。
Cr18Ni10型奥氏体不锈钢可制作各种人工关节和骨 折内固定器；在口腔科常用于镶牙、矫形和牙根种植等 器件的制作。
钴基合金通常是指Co-Cr合金，基本上分为两类：一
类是Co-Cr-Mo合金，一般通过铸造加工，铸造Co-Cr-Mo合
金已经在牙科方面应用了近几十年，目前主要用于制造人 工关节连接件；另一类是Co-Ni-Cr-Mo合金，一般通过热锻 加工，锻造Co-Ni-Cr-Mo合金主要用于制造关节替换假体连 接件的主干，承受重载荷，如膝关节和髋关节等。
Co基合金
人造髋关节的头杆部分。从股骨上端插 进金属杆，杆头有一个金属头，它嵌在 粘于髋骨窝中的一个塑料臼中。
Co基合金
Co基合金
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3.3.3 钛和钛合金
1）分类、组成和性能
• 在外科植入中运用的Ti金属材料有四个级别（表3.3） ，它们之间的区别在于杂质含量不同。 O、N、C、H与Ti形 成间隙固溶体，Fe与Ti形成置换固溶体。杂质元素的含量过 大会形成脆性化合物。O、N和C能提高Ti的强度，降低其塑 性。Ti很容易吸氢，H含量过高会产生氢脆，降低其韧性。 微量的Fe对纯钛性能的影响不像O、N、C那样强烈。 Ti-6Al-4V是一种广泛用于制造植入器械的钛合金，这 种合金的主要合金元素是Al(5.5%～6.5%，质量分数)和 V(3.5%～4.5%，质量分数)。
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3.3.2 Co基合金 2）生物相容性
从耐蚀性看，它也是所用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。但用铸造钴 基合金制作的人工髋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、铬还可以产生皮肤过敏反应，其中以钴最为 严重。
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3.3.3 钛和钛合金
1）分类、组成和性能
Ti为难熔稀有金属，熔点1762℃，密度小、比强度高； Ti合金的强度可达到很高的水平，比强度是不锈钢的3.5 倍； Ti与氧反应形成的氧化膜致密稳定，有很好的钝化作用， 具有很强的耐蚀性。 在生理环境下，Ti合金的均匀腐蚀很小，不会发生 点蚀、缝隙腐蚀和晶间腐蚀。 Ti合金的磨损与应力腐蚀较明显。
状态 退火态 抗拉强度 /MPa 515 620 860 505 605 860 屈服强度/MPa 205 310 690 195 295 690 延伸率/% 40 35 12 40 35 12 洛氏硬度 /HRB 95 － 300～350 95 － －
316
冷精轧 冷加工 退火态
316L
冷精轧 冷加工
表3.1给出了奥氏体不锈钢316和316L的力学性能。显然，退火态的材料硬度 与强度较低，而经过冷加工后，材料可以具有更高的强度和硬度。这说明此类材 料可以在大范围内调节力学性能。 但即使是牌号为316L的不锈钢在体内的特定环境下（如在高压或缺氧区 域）也会被腐蚀。它们适合做临时装置，如骨折固定板、固定螺钉或销子.。
按显微组织的特点可分为: 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
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3.3.1 不锈钢 1）分类与概念
•
奥氏体不锈钢是在铁-铬系统中再加入8%以上的镍形成 铁-铬-镍三元合金，随着碳含量的增加，强度大幅度地提 高，抗腐蚀性能优异，常作为生物材料选用。
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3.3.2 Co基合金 3）临床应用
适合于制造体内承载苛刻、耐蚀性要求较高的长期植
入件，临床上主要用于
–人工关节（特别是人体中受载荷最大的髋关节） –人工骨及骨科内处固定器件的制造 –齿科修复中的义齿，各种铸造冠、嵌体及固定桥的制造 –心血管外科及整形科等
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3.1 医用金属材料概述
• 该材料是临床应用最广泛的承力植入材料，由于有较 高的强度和韧性，已成为骨和牙齿等硬组织修复和替 换、心血管和软组织修复以及人工器官制造的主要材 料。 • 化学周期表中的大部分金属不符合生物材料的要求， 仅有小部分或经处理过的可用于临床。目前在临床使 用的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合 金三大类，另外还有记忆合金、贵金属以及纯金属钽 、铌和锆等。
Ⅴ 0.05 0.10 0.015 0.50 0.40
Ti-6Al-4V 0.05 0.08 0.0125 0.25 0.13
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3.3.3 钛和钛合金
1）分类、组成和性能
商业用纯Ti和Ti6Al4V合金的机械立力学性能如表 3-4，它们的弹性模量约为110GPa，大约是钴基合金的 一半。
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3.3.2 Co基合金 1）分类与概念
概念：含有较高的铬和钼，又称钴铬钼合金，具有极为优异的 耐腐蚀性（比不锈钢高40倍）和耐磨性，综合力学性
能和生物相容性良好，可通过精密铸造成形状复杂的
精密修复体，有硬、中、软三种类型。
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3.3.2 Co基合金 1）分类与概念
• (3)耐腐蚀性能：腐蚀不仅降低或破坏金属材料的机械性 能，导致断裂，还产生腐蚀产物，对人体有刺激性和毒性。
• 常用医用金属材料
–不锈钢 –钴（Co）基合金 –钛（Ti）基合金 –形状记忆合金 –贵金属 –纯金属钽 –纯金属铌 –纯金属铬
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3.3.1 不锈钢 1）分类与概念
强度，植入很长时间后，也很少会发生断裂。
• 表3.2 典型钴基合金性能
种类 CoCrMo 状态 铸态 固溶退火 锻造 退火(ASTM) CoCrWMo CoNiCrMo 退火 冷加工 退火(ASTM) 固溶退火 冷加工时效 退火 冷加工 退火(ISO) 屈服强度 (MPa) 515 533 962 450 350 1310 310 240～655 1585 275 828 276 抗拉强度 (MPa) 725 1143 1507 665 862 1510 860 795～1000 1790 600 1000 600 延伸率(%) 9.0 15.0 28.0 8.0 60.0 12.0 10.0 50.0 8.0 50.0 18.0 50.0 疲劳强度 (MPa) 250 280 897 － 345 586 － － － － － －
最早用于植入材料的不锈钢是18-8(即302不锈钢)， 其强度与耐蚀性能均优于钒钢。 引入18-8sMo，其中的Mo能够改善在电解质溶液中的 耐腐蚀性能，这就是我们熟知的316不锈钢。
•
•
3.3.1 不锈钢
1）分类与概念 • 20世纪50年代，316不锈钢的碳含量由0.08%降低为0.03% ，进一步提高了其在含Cl溶液体系中的耐蚀性能，降低了 材料致敏性，这就是常见的316L不锈钢
表3-4 Ti及Ti合金的机械力学性能(ASTM，F136)
性能 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 延伸率/% Ⅰ 240 170 24 Ⅱ 345 275 20 Ⅲ 450 380 18 Ⅴ 550 485 15 Ti-6Al-4V 860 795 10
断面收缩率/%
30
30
30
25
25
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