生物材料学--医用生物材料.pptx
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生物材料学--医用生物材料.pptx
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,生物材料学,第五章医用生物材料,1,医用生物材料,医用金属材料医用陶瓷材料医用高分子材料,2,5-1医用金属材料,金属生物医用材料历史悠久,是人类最早使用的生物医用材料之一。
例如,公元前400-公元前300年,用金属材料修复牙缺损,1546年纯金薄片修复缺损颅骨,1775年用铁丝固定断骨等。
医用金属材料是指一类用作生物材料的金属或合金。
它是一类生物惰性材料,除具有较高的机械强度和抗疲劳性能,具有良好的生物力学性能及相关的物理性质外,还必须具有优良的抗生理腐蚀性、生物相容性、无毒性和简易可行及确切的手术操作技术。
3,医用金属材料,4,金属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,另外还有贵金属以及纯金属钽、铌和锆等。
生物相容性要求,5,毒性反应:
金属的毒性主要作用于细胞、可抑制酶的活动,阻止酶通过细胞膜的扩散和破坏溶酶体。
不锈钢中含有毒性的铁、钴、镍,加入有毒的铍(2%)可减小毒性;加入铬(20%),则毒性消失,且抗腐蚀性增强。
金(Au),钽(Ta),铂(Pt)未发现毒性。
化学稳定性:
抗化学性和电离性腐蚀;可消毒性,消毒后不引起材料性能的改变。
耐久性:
在使用、贮存和消毒时不破坏,不因长期植入而丧失性能。
生物相容性评价:
利用多种检验方法(如,细胞培养、过敏试验、溶血反应等),考察材料的生物相容性。
耐腐蚀性能要求,金属材料的主要缺点是腐蚀问题。
长期浸泡在含有有机酸、碱金属或碱土金属离子(Na+、K+、Ca2+)、Cl-离子等构成的恒温(37)电解质的环境中,加之蛋白质、酶和细胞的作用,其环境非常复杂,会对金属材料产生腐蚀,腐蚀的产物可能是离子、氧化物、氯化物等。
腐蚀不仅产生腐蚀产物,对人体有刺激性和毒性,还会降低或破坏金属材料的机械性能,甚至导致断裂引起植入失败。
6,弹性模量过低,在应力作用下产生较大的变形,起不到固定和支撑的作用。
力学性能要求,抗压强度、抗拉强度、屈服强度、弹性模量、疲劳极限和断裂韧性等。
弹性模量-(定义是:
应力除以应变)是生物医用金属材料的重要物理性质之一,其值过高或过低都会呈现出生物力学不相容性。
金属医用材料的弹性模量要稍高于人骨的弹性模量。
7,一、不锈钢,8,不锈钢外观呈微灰色或银白色。
结构紧密,不易氧化生成氧化铁,故有不锈之称。
不锈钢是能抵抗酸、碱、盐等腐蚀作用的合金钢的总称。
在合金中以铬为主,有的还加入镍钼、钛等元素,以提高抗腐蚀性能。
常见的铬不锈钢其含铬量在12%以上,镍铬不锈钢含铬为18%,含镍为8%,镍铬不锈钢的抗蚀性能较铬不锈钢更好。
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、沉淀硬化不锈钢等类型;铁素体和马氏体不锈钢的主要成分是Fe、Cr、C;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;马氏体不锈钢的强度、硬度、耐磨性随含碳量的增加而提高,而耐蚀性、焊接性却降低。
目前铁素体和马氏体不锈钢用于医疗器械。
奥氏体型不锈钢因具有良好的耐蚀性能和综合的力学性能而得到广泛的临床应用;其中应用最多的是奥氏体超低碳316L和317L不锈钢。
9,10,钢的强度和硬度,不锈钢所含元素及作用:
Cr:
提高抗蚀能力的基本元素、能在钢表面形成一层保护性的Cr2O3薄膜;提高钢的电极电位;形成单相的铁素体组织。
Ni:
使钢呈单相奥氏体组织,提高钢的塑性和韧性,改善钢的焊接性能Cu和Mo:
提高钢的耐腐蚀作用Ti和Nb:
优先与碳形成碳化物,避免晶界贫铬,从而减轻钢的晶间腐蚀倾向。
C:
对提高钢的抗腐蚀作用不利,但能提高,Mn和N:
为了部分取代镍,以降低成本,奥氏体不锈钢的主加元素是Cr和Ni,具有高的塑性,易于加工变形制成各种型状,无磁性,韧性好;奥氏体不锈钢的生物相容性和综合力学性能较好,得到了大量应用;在骨科里用来制作各种人工关节和骨折内固定器;在口腔科常用于镶牙、矫正和牙根种植等各种器件的制作。
11,奥氏体不锈钢,与不锈钢相比,钴基合金的钝化膜更稳定,耐蚀性更好,植入体内不会产生明显的组织反应;最先在口腔科得到应用的是铸造钴铬钼合金,20世纪30年代末又被用于制作接骨板、骨钉等固定器械;20世纪50年代又成功地制成人工髋关节;20世纪60年代,为了提高钴基合金的力学性能,又研制出锻造钴铬钨镍合金和锻造钴铬钼合金,并应用于临床;为了改善钴基合金抗疲劳性能,于20世纪70年代又研制出锻造钴铬钼钨铁合金和具有多相组织的MP35N钴铬钼镍合金,并在临床中得到应用。
12,二、钴(Co)基合金,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。
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,13,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。
14,15,三、金属-钛,钛是十分活泼的金属,能够很快地与氧气、氢气、氮气发生反应,但实际上在许多介质中钛都很稳定。
因为,钛与氧具有很好的亲和力,能形成一层致密、附着力强、惰性大的氧化膜,即使受到机械磨损之后,也会很快再,生。
电位SCE/mV,纯钛植入在0.9%NaCl溶液中的再钝化曲线,16,金属-钛,钛主要用于制人造骨和关节、假牙材料。
钛弹性模量与人体骨骼的弹性模量最为接近,有利于降低或消除植入物与人体骨骼界面的应力屏蔽;钛的表面有一层致密的TiO2膜,降低表面锈蚀。
钛无磁性,在很强的磁场下也不会磁化,用钛制人造骨和关节植入人体不会收到雷雨天气的影响。
钛金属无毒、质轻、轻度高、抗腐蚀、抗疲劳,成为人工种植牙的重要材料。
钛的纯度99.50%以下时,开始产生生物学不良影响,纯度越低,产生不良影响的趋势越大。
17,用金属钛制成的“人造骨骼”,将使骨科技术得到改观。
在骨头损坏的地方,可以用钛片和钛螺丝钉固定。
过几个月后,骨头就会生长在钛片的小孔和螺丝钉的螺纹里,新的肌肉包在钛片上。
钛制成的“人造骨骼”就像真正的骨骼一样,与肌肉相连,因此,钛被誉为“亲生物的金属”。
在外科接骨时用不锈钢,在接骨愈合以后,要把不锈钢再取出来,以免产生不良影响,这是一件十分痛苦的事。
18,钛镍合金矫形拉簧对牙进行矫正,19,四、医用贵金属-金,口腔科-牙科修复。
金的延展性极好,有很好的导电性和导热性。
具有极高的抗氧化性和抗腐蚀性,在任何温度下都不会与氧或硫发生反应。
对人体组织无毒副作用、刺激小等优良的生物学性能。
除口腔科外,还应用于颅骨修复、植入电极电子装置等方面。
20,卡铂,顺铂,21,铂类金属药物其抗癌作用机制:
跨膜运输:
带有氨或胺,整个分子为电中性,有一定的脂溶性,同时分子体积小,容易跨过脂质双层结构的细胞膜,进入细胞。
水解:
Pt(NH3)2(H2O)22+。
定向迁移:
DNA位于细胞核,带有负电荷。
通过静电作用,定向快速向细胞核迁移。
与DNA的缩合:
cis-Pt(NH3)2(H2O)22+的化学性质活泼,形成cis-Pt(NH3)2/DNA缩合物,引起DNA复制障碍,抑制癌细胞分裂。
五、医用贵金属-铂,22,具有良好的抗生理腐蚀性和可塑性,独特的表面负电性使其具有优良的抗血栓性能和生物相容性,还有很高的抗缺口裂纹能力。
植入骨内能和周围的新骨形成骨性结合;植入软组织中,肌肉等组织可依附在钽条上正常生长。
退火后的纯钽很软,可加工成板、带、箔、丝等使用。
主要用作接骨板、颅骨板、骨螺钉、种植牙根、颌面修复体、义齿及外科手术缝线和缝合针;钽网可用于肌肉缺损修补;钽丝和箔用于缝合修补受损的神经、肌腱和血管;钽还可以用于血管内支架及人工心脏、植入型电子装置;钽的同位素可用于放射治疗。
只是由于钽的资源少、价格较高,使其推广受很大限制。
六、纯金属-钽(Ta),七、纯金属铌(Nb),性能和应用范围与钽非常相似,用于修补颅骨和制作医疗器械。
但由于来源困难,价格昂贵,使用受到限制,主要用于制造髓内钉等。
23,八、纯金属铬(Cr),化学性能与金属钛相似,耐蚀性能、加工性能、稳定性和生物相容性都很好,主要用于人工骨和修补颅骨,可加工成各种板、带、线材在临床上使用。
医用铬可与钛等同使用,但其价格较贵,在临床中较难推广。
24,5-2医用陶瓷材料,陶瓷是一种难熔的无机化合物,通常为多晶体。
常见的陶瓷包括硅酸盐、金属氧化物、碳化物、各种难熔氢化物、硫化物以及磷酸盐等。
其中,氧化物有Al2O3、MgO、SiO2等;离子盐类有NaCl、CsCl、ZnS等。
此外,还有金刚石和碳质结构物质如石墨、碳化物等。
影响陶瓷结构和性能的主要因素是原子半径比和阴、阳离子间的电负性差别。
25,有各种不同的化学成分,根据其在生理环境中的化学活性和性质可分为四类:
近似于惰性:
三氧化二铝、氧化锆等氧化物生物陶瓷,Si3N4、钛酸钡等非氧化物生物陶瓷以及医用碳素等,这类材料长期暴露于生理环境下能保持稳定。
表面活性:
羟基磷灰石生物活性陶瓷和生物活性玻璃陶瓷,在生理环境中可通过其表面发生的生物化学反应与组织形成化学键性的结合,起到了适合新生骨沉积的生理支架作用,也就是所谓的“骨引导”和“骨传导”作用。
26,可吸收性:
如石膏、磷酸三钙陶瓷,在生理环境中可逐渐被降解吸收,诱导骨质生长,并随之被新组织所替代,从而达到修复或替换病损组织的目的。
复合型:
生物陶瓷与生物陶瓷或与其他无机材料、有机材料复合而成的复合型材料。
根据临床的不同要求可以制成不同类型的复合材料。
27,医用陶瓷材料的特点,其耐磨性也远高于金属,而且在高温、腐蚀环境下更显示出其独特的优越性。
最重要的耐磨陶瓷材料是氧化铝、氧化锆和氮化硅陶瓷等。
减摩性与耐磨性抗磨性,28,医用陶瓷材料的特点,陶瓷材料硬度、刚度很高。
陶瓷材料的塑性和韧性较低,这是陶瓷最大的弱点。
陶瓷材料受到载荷时在不发生塑性变形的情况下,就发生断裂。
29,能承受负载的矫形材料,用在骨科、牙科及颌面上。
用于此用途材料有:
Al2O3陶瓷、稳定ZrO2陶瓷、具有生物活性的表面涂层(生物微晶玻璃、生物活性玻璃)的相应材料等。
种植齿、牙齿增高。
用于这类用途的材料的有:
Al2O3陶瓷、氟聚合物金属基复合材料、生物活性玻璃、自固化磷酸盐水泥和玻璃水泥、活性涂层材料等。
耳鼻喉代用材料。
用于这类用途的材料的有:
Al2O3陶瓷、生物活性玻璃及生物活性微晶玻璃、磷酸盐陶瓷。
人工肌腱和韧带。
用于这类用途的材料的有:
PLA-碳纤维复合材料。
30,各种生物陶瓷在临床上有以下应用:
(5)人工心脏瓣膜。
用于这类用途的材料的有:
热解碳涂层(抗凝血,摩擦系数小)。
(6)可供组织长入的涂层(心血管、矫形、牙、额面修复)。
用于此用途的材料的有:
多孔Al2O3陶瓷。
骨的充填料。
用于这类用途的材料的有:
磷酸钙及磷酸钙盐粉末或颗粒。
脊椎外科。
用于这类用途的材料的有:
生物活性玻璃或生物活性玻璃陶瓷。
义眼。
用于这类用途的材料的有:
生物玻璃、多孔羟基磷灰石。
31,
(1)近似于惰性陶瓷材料,32,近似于惰性生物陶瓷是一类暴露于生物环境中几乎不发生化学变化的生物陶瓷。
其所引起的组织反应主要表现在材料周围会形成厚度不同的包囊性纤维膜。
属于此类的生物陶瓷主要有氧化铝生物陶瓷、氧化锆生物陶瓷和医用碳素材料,后者包括玻璃碳,低温各向同性(LTI)碳和超低温各向同性(ULTI)碳等。
在临床得到广泛应用的是氧化铝生物陶瓷和医用碳素材料。
氧化铝陶瓷Al2O3陶瓷又称高铝陶瓷,主
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