医用金属材料的研究进展

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医用钛合金表面改性研究进展

存在的主要问题：生物活性、耐磨性和耐腐蚀性有待进一步提高，出指表面改性是改善上述问题的有效途径；综述了人
体植入钛舍金表面改性的研究进展，并展望了钛合金表面改性的发展趋势。
关键词钛合金表面改性生物活性耐蚀性耐磨性
ＲｅｅｒｈＰｏｒｓｎＳｒａｅＭｏｉｉａｉｎｏｏｄｃｌＴｉａｉｍｌｙｓａｃｒｇｅｓｉｕｆｃｄｆｃｔｏｆＢｉｍｅｉａｔｎｕＡｌｓｏ
维普资讯
医用钛合金表面改性研究进展／黄伟九等
・３９・６
医用钛合金表面改性研究进展
黄伟九，兆峰李
（重庆工学院材料科学与工程学院，重庆４Ｏ５）Ｏ０Ｏ
摘要钛合金作为人体硬组织替代物和修复物的首选材料在临床上得到广泛的应用。分析了目前医用钛合金
质释放到组织中，在生物体内产生毒性、炎症、血栓等反应。
针对医用钛合金存在的不足可从两方面人手：一是从材料
Ｄｖｎｏｔａｅｐｒ用于医学领域，尔后凭借其优良的生物相容性和耐腐蚀性、优异的综合力学性能和工艺性能在牙种植体、人工关节、脊柱矫形内固定系统、内钉、髓矫形钢板等方面的应用逐渐占据了主导地位，成为人体硬组织替代物和修复物的首选材料［４３３
ａｄｔｅｒｓａｃｒｎｆｓｒａｅｍｏｉｃｔｎｉａｓｒｓｎｅ．ｎｈｅｅｒｈｔｅｄｏｕｆｃｄｆａｉｌｏｐｅｅｔｄｉｏｓ
Ｋｅｒｓｙｗｏｄ

生物材料第03章医用金属材料

➢ 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

新型抗菌功能医用金属研究

的３７ｌＬ不锈钢（种Ｆ —ｒｉｏ型奥氏体不锈钢）一ｅｃ— — ＮＭ中添加４一％的ｃ元素，设计和制备出具有强烈抗菌％５ｕ
能力的３７ — ｕ抗感染不锈钢。在此基础上，开展１Ｌｃ
基金项目：科技部９３计划项目（０２Ｂ１１１；全军医学科研７２１Ｃ６９０）面上课题资助项目（ＷＳ１２８ＣＩＣ６）
第一作者及通信作者：杨
柯，男，１６９１年生，研究员
Ｄ：１５２ｊｉｎ１７ＯＩ０７０／．ｓ．６４—３６．０２０．３ｓ９２２１．９０
各类植入医疗器械以及各种外科手术工具。因此，提升现有医用金属材料的性能，以及发展新型医用金属材
料，对于进一步提升金属植入器械的治疗水平，扩大医
疗功能和提高相关产品的市场竞争力，造福广大患者，
ｒａｎｅｔｏｓｃｕｓｄｂｙｉｉｌｉｆｃｉｎａｅｍｐｌｎｓ。ｉｉｒａｉｎｉｃｎｏｓｕｎｅｅｏｏｅｅａｌｃｂｏｍａｅｉｌｔｎｔｂｃｅｉｌａｔｔｓｇｅｔｓｇｆａｃｅｔｔｄｙａｄｄｖｌｐｎｖｌｍｔｌｉｉｉｔｒａｓｗｉｈａｉａｔｒａｆｃｉｎｕｎｔｏｓ，ｗｈｉｈｉｌｏａｎｗｘｌｒｔｏｔｒａｉｅｔｅｓｒｃｕｒｌｆｎｃｉｎｌｉｅｒｔｏｅａｌｃｍａｅｉｌ．Ｔｈｉｐｒｃｓａｓｅｅｐｏａｉｎｏｅｌｚｈｔｕｔａ／ｕｔｏａｎｔｇｉｙｆｒｍｔｌｉｔｒａｓｓｐａｅｂｉｆｎｔｏｕｃｓｔｅｒｃｎｔｒｓａｃｒｇｅｓｓｏｔｂｃｅｉｌｆｃｉｎｏｔｉｌｓｔｅｓｔｔｎｉｒｅｙｉｒｄｅｈｅｅｅｅｒｈｐｏｒｓｅｎａｎｉａｔｒａｕｎｔｏｓｆｓａｎｅｓｓｅｌ，ｉｕｍａｌｙｓｎｏ — ｌａｌｏａｄｂｉｄｅｇａｂｌｇｅｉｒｄａｅｍａｎｓｕｍ— ｓｄｍａｅｉｌｂａｅｔｒａｓ，ａｏｏｅｓｔｕｕｒｐｌｃｔｏｏｒａｔｂｃｅｉｌｍｅａｌｃｂｉｍａｅｉｌｎｄｐｒｐｓｈｅｆｔｅａｐｉａｉｎｓｆｎｉａｔｒａｔｌｉｏｔｒａｓ．

低弹性模量钛合金的研究进展

・
２０・５
材料导报
２１０１年５月第２５卷专辑１７
低弹性模量钛合金的研究进展
茹志芳李岩，坤赵新青，罗，
（北京航空航天大学材料科学与工程学院，１北京１０９；北京航空航天大学特种功能材料与０１１２薄膜技术北京市重点实验室，北京１０９）０１１
目，前骨科、牙科植入物和其它辅助治疗器件对生物医用金属材料性能的要求越来越高。金属植入材料主要包括
骨弹性模量的４１倍。如果植入材料与骨之间的弹性模～Ｏ量差异过大，发生“ 力屏蔽 ” 象，将应现即外载荷主要由植入
（ＳｈｏｆａｅｉｓＳｉｃｎｎｉｅｒｇＢｉａｇＵｎｖｒｉ，ｅｉｇ１０９；２ＢｉｎｙＬｂｒｔｒ１ｃｏｌｔｒｌｃｎｅａｄＥｇｎｅｉ，ｅｎｉｓｙＢｉｎ０１１ｅｉｇＫｅａｏａｏｙｏＭａｅｎｈｅｔｊｊ
ｐｔｂｌｙｏｒｓｎｒｓｓａｃｎｃａｉａｒｐｒｉｓａｉｉｔ，ｃｒｏｉｅｉｔｎｅａｄｍｅｈｎｃ１ｐｏｅｔ．ＤｅｅｏｉｇｎｗｌｙｗｉｈｌＷｌｓｉｍｏｕｕｓｏｅｏｉｏｅｖｌｐｎｅＴｉｌｔａｏＯｅａｔｄｌｓｉｎｆｃｔｅｒｓａｃｏｓｏｓｈｅｅｒｈｈｔｐｔ．ＴｈｅｅｔｅｅｒｈｓａｕｆＴｉｌｙｗｉＯｅａｔｄｌｓｆｏｂｔｈｏｅｉａｎｘｅｅｒｃｎｓａｃｔｔｓｏｌｔｌＷｌｓｉｍｏｕｕｒｍｏｈｔｅｒｔｌｄｅｐ－ｒａｏｈｃｃａｒｍｅｔ１ｓｅｔｅｉｗｅ．Ｔｈ－ｌｃｒｎａｌｙｄｓｇｎｈｉｔｐｉｃｐｅｃｌｕａｉｎｈｖｅｎｔｅｅｆｃｉｅｍｅｉｎａｐｃｓｉｒｖｅｄａｓｅｄｅｅｔｏｌｅｉｎａｄｔｅｆｒｒｎｉｌａｃｌｔａｅｂｅｈｆｅｔ－ｏｓｏｖｔｏｓｔｅｉｎＴｉｌｙｗｉｏｅａｔｄｌｓｈｄｏｄｓｌｔｌｗｌｓｉｍｏｕｕ。Ｔｈｌ－ｌｙｎ－ｌｍｅｔｄｓｇｎｈｐｉｚｄｔｅｍｏｃａｇａｏｈｃｅｍｕｔａｌｉｇｅｅｎｅｉｎａｄｔｅｏｔｉｏｍｉｅｈｒｍｅｈ－ｎｃｌｐｏｅｓｇｐａｏｔｎｏｅｎｔｅｄｖｌｐｎｆｎｗｉｍｅｉａｌｙｔｌｉｎｔｎａｉｈｐｏｉａｒｃｓｉｌｙｉｎｍｐｒａｔｒｌｓｉｈｅｅｏｍｅｔｏｅｂｏｄｅｌａｌｓｗｉｍｕｔｕｃｉｎｈｇｒ－Ｔｉｏｈｆｏｄ

(仅供参考)生物医用金属材料

第二章生物医用金属材料◆第一节概述◆第二节生物医用金属材料的特性与生物相容性◆第三节常用的医用金属材料◆第四节医用金属材料研究进展第一节概述生物医用金属材料用于整形外科，牙科等领域。

由它制作的医疗器件植入人体，具有治疗，修复，替代人体组织或器官的功能，是生物医用材料的重要组成部分，其在医用材料中占45％，而高分子材料也占45％。

生物医用金属材料是人类最早利用的生物医用材料之一，最重要的应用有：骨折内固定板、螺钉、人工关节和牙根种植体等。

这种材料在人体内生理环境条件下长期停留并发挥其功能，其首要条件是材料必须具有相对稳定的化学性能，从而获得适当的生物相容性。

迄今为止，除医用贵金属、医用钛、钽、铌、锆等单质金属外，其他生物医用金属金属材料都是合金，其中应用较多的是：不锈钢、钴基合金、钛合金、镍钛形状记忆合金和磁性合金等。

第二节生物医用金属材料的特性与生物相容性生物医用金属材料具有优良的力学性能、易加工性和可靠性，但是金属材料很难与生物组织产生亲和，一般不具有生物活性，它们通常以相对稳定的化学性能，获得一定的生物相容性，植入生物组织后，总是以异物的形式被生物组织所包裹，使之与正常的组织隔绝。

组织反应一般根据植入物周围所形成的包膜厚度及细胞浸润数来评价。

作为生物医用金属材料，首先必须满足两个条件：1.无毒性；2.耐生理腐蚀性。

一、金属材料的毒性生物医用金属材料植入人体后，一般希望能在体内永久或半永久地发挥生理功能，所谓半永久对于金属人工关节来说至少在15年以上，在这样一个相当长的时间内，金属表面会有离子或原子因腐蚀或磨损进入周围组织内，因此，材料是否对生物组织有毒就成为选择材料的必要条件。

当然，合金化（某些有毒的金属单质与其他金属元素形成合金后），可减少甚至消除毒性。

因此合金的研制对开发新型生物医用材料具有重要意义。

另外，采用表面保护层和提高光洁度来提高抗腐蚀能力。

金属的毒性可以通过组织或细胞培养、急性和慢性毒性试验、溶血实验等来检测。

生物医用镁合金研究进展

Ｔａｂｌｅ１Ｓｕｍｍａｒｙｏｆｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｖａｒｉｏｕｓｉｍｐｌａｎｔｍａｔｅｒｉａｌｓｉｎｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｔｏｎａｔｕｒａｌｂｏｎｅ［。］
往往表现为强度、刚性、稳定性较低；金属材料由于具
有良好的综合力学性能，在骨科、口腔修复和心血管治
疗等领域一直有着广泛的应用。
目前，广泛应用于临床的金属植入材料包括不锈钢、钴铬合金及钛合金，它们都具有良好的抗腐蚀性能，在体内能够长期保持结构稳定，但也存在一些弊端，如这些材料因体内摩擦而产生磨屑以及因腐蚀而产生有毒离子，造成局部过敏反应或者炎症，降低其生
２镁合金作为生物医用材料的优势与不足
２．１镁合金的优势
镁合金之所以成为生物医用可降解金属植入材料领域的研究热点，其原因有：（１）镁合金具有良好的生物相容性。镁是人体内仅次于钙、钠和钾的常量元素之一，能够激活多种酶，参与体内一系列代谢过程，促进钙的沉积，是骨生长的必需元素］。此外，体内过量的镁可通过尿液排出体外，不会导致血清镁含量的明显升高或沉积于体内而引起中毒反应［８；（２）镁合金具有良好的力学相容性。镁及其合金有高的比强度和

钛合金生物相容性的研究进展

钛合金生物相容性的研究进展钛合金是一种常用的材料，在医疗器械和人工骨骼等领域得到了广泛的应用。

然而，钛合金可塑性强、生物相容性好等特点，却没有被完全解开其神秘面纱。

今天我们就来探讨一下钛合金生物相容性的研究进展。

一、钛合金在人工骨骼领域中的应用人工骨骼的替代品主要包括金属、陶瓷、塑料等材料。

钛合金几乎成为了这种替代品的比较主要的材料，因为钛合金本身力学性能极为优越，较大程度上可以模拟人体骨骼的生物力学性能。

同时，在与骨骼相接触的表面上具有良好的生物相容性。

虽然钛合金作为人工骨骼的替代品已经被广泛应用于临床领域，但是其材料主要由钛、铝等成分组成，无法恰当的仿真人骨。

在众多研究中发现，当接近应力、接口应变时，较弱的机械性能会导致钛合金生物相容性出现问题。

因此钛合金在医疗领域的应用还有很大的拓展空间。

二、改善钛合金表面粗糙度可以提高其生物相容性在钛合金上生长组织海绵是一种常见的技术，这种技术是通过水热法在钛合金表面生长出微小孔洞，然后在孔洞中生长出组织形态类似于骨骼组织的三维网状结构。

这种三维多孔结构可以有效的增加钛合金接口的面积，做到更加长时间的连接，也可以提高钛合金的生物相容性。

通过淬火等材料表面处理的方法，可以极大的提高钛合金的力学性能，也可以改善钛合金的生物相容性。

三、钛合金复合材料可以拓展钛合金应用范围随着科技的发展和人们生活质量的提升，提高钛合金的生物相容性、力学性能、生物学行为和抗腐蚀能力已经成为了钛合金研究的热点。

复合材料作为一种新兴的研究领域，也不断地走近工业界的小伙伴。

复合材料通过结合不同材料的优点，使钛合金更适用于广泛的领域，比如生物医用类、航空航天领域、汽车、船舶和石油开采等领域。

与此同时，相比单一材料的缺点，复合材料的合成过程更复杂，价格也相对昂贵，所以尽管如此，钛合金复合材料仍具有极高的应用前景。

四、结语总而言之，钛合金生物相容性的研究已经出现了一些显著的进展，但是，目前来看，钛合金依然面临很大的问题。

医用钛的发展历程

生物医用钛及合金材料的开发应用进展摘要：综述了生物医用钛及其合金材料的最新开发应用进展与市场状况；对我国目前应用生物医用钛及其合金方面存在的问题进行了初步分析；并对这一领域的发展前景进行了展望。

关键词生物医用钛及其合金材料；生物相容性；弹性模量；骨整合一、概述生物医用材料是材料科学的一个重要分支，是用于诊断、治疗或替代人体组织、器官或增进其功能、具有高技术含量和高经济价值的新型载体材料，是材料科学技术中一个正在发展的新领域。

生物医用材料对于探索人类生命奥秘、保障人类健康长寿做出更大贡献。

近10多年以来，生物医用材料及制品的市场增长率一直保持在20％-25％左右，预计未来10年-15年内，包括生物医用材料在内的医疗器械产业将达到医药制品市场规模，成为21世纪世界经济的支柱产业。

在生物医用金属材料中，钛及其合金凭借优良的综合性能，成为人工关节(髋、膝、肩、踝、肘、腕、指关节等)、骨创伤产品(髓内钉、钢板、螺钉等)、脊柱矫形内固定系统、牙种植体、牙托、牙矫形丝、人工心脏瓣膜、介入性心血管支架等医用内植物产品的首选材料。

目前，还没有比钛合金更好的金属材料用于临床。

发达国家和世界知名体内植入物产品供应商都非常重视钛合金的研发工作，推出了一系列新的医用钛合金材料，包括具有生物活性的钛合金仿生材料，在医用钛合金材料的表面处理方面也做了很多专利性的设计与开发，赋予医用钛合金材料更好的生物活性以满足人体的生理需要，从而达到使患者早日康复的目的。

世界人口近65亿，据不完全统计，伤残者接近4亿，肢体伤残者6000万，牙病患者20亿，目前生物材料器件植入者仅有3500万人，每年关节置换量约150万例，与实际需要置换者的数量相差甚远。

因此，生物医用材料市场需求潜力巨大。

而作为生物医用金属材料的首选，钛及其合金需求也将大增，因此加大医用钛合金材料的研发力度势在必行。

二、生物医用钛及其合金材料的发展历程、最新进展及市场状况生物医用钛及其合金材料的发展与应用经历了4个标志性阶段。

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医用金属材料的研究进展
医用金属材料广泛应用在骨科、心脏血管支架、牙科种植材料等多个
医学领域中，对人类健康产生了巨大的影响。

然而，随着医学科技的进步，对医用金属材料的研究也在不断深入，目前已取得了令人瞩目的进展。

本
文将对医用金属材料的研究进展进行详细介绍。

首先，医用钛合金材料是目前应用最广泛的一类医用金属材料。

钛合
金具有优良的生物相容性、机械性能和抗腐蚀性能，已被广泛应用于骨科
植入物和牙科修复材料等领域。

近年来，研究人员通过调控钛合金的成分
和微观结构，进一步提高了其力学性能和生物相容性。

例如，加入适量的
锆元素可以提高钛合金的强度和耐腐蚀性能，同时保持良好的生物相容性。

其次，钴基合金是另一类在医学领域有广泛应用的医用金属材料。

钴
基合金具有较高的耐磨性和抗腐蚀性能，适用于制作人工关节和心脏血管
支架等植入物。

然而，钴基合金可能引发过敏反应和细胞毒性，因此研究
人员通常会通过表面改性等方法来提高其生物相容性。

近年来，一些新型
的钴基合金材料如钴铟合金和钴镓合金也得到了研究人员的关注，其具有
更好的生物相容性和力学性能。

此外，镁合金作为一类新兴的医用金属材料，近年来备受关注。

镁合
金具有轻质、生物可降解和良好的生物相容性等优点，被广泛用于骨科植
入物和心脏血管支架等领域。

然而，镁合金的低强度和快速腐蚀等问题限
制了其应用范围。

为此，研究人员通过合金设计、表面改性和涂层技术等
手段，改善了镁合金的力学性能和抗腐蚀性能。

此外，一些复合材料如镁
基复合材料和镁合金与陶瓷的复合材料也得到了研究人员的开发和应用。

另外，研究人员还在探索新型的医用金属材料，如铁基合金和镍基合金等。

这些材料具有较好的力学性能和生物相容性，适用于制作心脏支架和生物降解植入物等。

然而，这些新型医用金属材料尚处于研发阶段，还存在一些问题需要解决。

总结起来，医用金属材料的研究进展已经取得了很大的突破。

通过调控材料的成分和微观结构，改善医用金属材料的力学性能和生物相容性，提高其在医学领域的应用价值。

随着医学科技的不断进步，相信未来会有更多新型的医用金属材料问世，为人类健康事业作出更大的贡献。