生物醫(yī)用材料系列生物醫(yī)學金屬材料

1、1,生物醫(yī)學金屬材料及其應用,第一節(jié) 生物醫(yī)學金屬材料概述第二節(jié) 生物醫(yī)學金屬材料的條件與要求第三節(jié) 生物醫(yī)學金屬材料的種類第四節(jié) 生物醫(yī)學金屬材料的臨床應用第五節(jié) 生物醫(yī)學金屬材料研究進展及展望,2,第一節(jié) 生物醫(yī)學金屬材料概述,金屬材料應用最早，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，或進行骨骼、關節(jié)、血管、牙齒等的修復。常用于植入用的生物醫(yī)學材料按其先后采用次序為：金

2、屬、高分子聚合物和無機材料。,3,生 命 體 器 官 的 人 工 替 代—人 工 器 官 的 研 究 進 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缺損的牙齒;1588年用黃金板修復腭骨;1775年有記載用金屬固定體內(nèi)骨折;1800年有大量應用金屬板固定骨折的報道;1809年有人用黃金制成種

3、植牙齒;1851年報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度和韌性，適用于修復硬組織系統(tǒng)，如用金屬板修補顱骨缺損或鑲牙。隨后使用有抗蝕性能的不銹鋼、鈷基合金和鉭，組織反應小，效果更佳。近年來鈦及其合金也被采用，其質量輕，彈性模量與骨相近似，有推廣趨勢。應用范圍擴大：如人工關節(jié)、人工骨、矯形物、人工假體、血管套管吻合、腦止血夾等等。,6,堅硬固定系統(tǒng),7,特點： 生物醫(yī)學金屬材料的用量小，品種多，規(guī)格不一， 要

5、求嚴，故其研制至為重要。 臨床上根據(jù)應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)者要求就特別嚴格。,第二節(jié) 生物醫(yī)學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” 標準。包括以下幾方面：,10,1.生物相容性良好 即對人體的適應性和親和性，包括組織、體液、力學和電學相容性等方面。 其中，首

6、先是生物相容性，即必須是最小的生物學反應，無不良刺激，無毒害，不引起毒性反應、免疫反應，或干擾免疫機能，無變態(tài)和過敏，不致癌，不致畸，無炎性反應，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,通過體外組織或細胞培養(yǎng)、毒性試驗、動物體內(nèi)埋藏、臨床應用諸方面對材料進行檢測評定。,12,炎性反應：是組織愈合的自然變化。原因：單純磨損引起對組織的機械刺激，或手術創(chuàng)傷引發(fā)；植入物所引起。區(qū)分特點：

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

8、等來檢測。血液相容： 指不引起凝血或溶血，不破壞紅細胞、血小板等。,15,2．足夠的能適應應力的機械性能 （I）足夠的強度和韌性，包括靜力和動力學強度,能承受人體某部位機械作用力，不因生理環(huán)境而降低強度。 （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。 （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，結構穩(wěn)定。 （I） 抗化學性和電離性腐蝕。 （II） 抗溶解和膨脹。 （III）無毒。 （IV）無熱源反應。 （V） 無磁性？。 （Ⅵ）耐久性。,17,４．符合生物力學要求，設計合理，結構簡單，適應功能需要?！　〔牧媳旧砑捌骶咴O計、結構和技術操作均須符合人體生物力學要求。材料選擇與結

10、構也不同，原則是仿生而不是解剖復制。５．易于加工造型和制作，易植入和再次手術。６．價格低廉，來源易得，便于推廣應用。,18,仿生結構設計：手指關節(jié)： 多用硅橡膠或復合體；大關節(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)因骨骼粗細而有不同；加壓鋼板及各型髓內(nèi)針也有其力學特性。,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、間質液、淋巴和滑液中，均含有蛋白質、有機酸、鹼金屬和無機鹽，其中Na+、K+、Ca2+、Cl-等離子均是電解質可使金屬產(chǎn)生均勻或一般腐蝕。,20,21,點腐蝕：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；應力腐蝕：應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械性能，導致斷裂，產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物，對人體有刺激性和毒性。,23,檢測方法： 檢測金屬的抗蝕性能，一般采用體外和體內(nèi)試驗。體外試驗包括用腐蝕液浸泡金屬試件測定腐蝕速度及電化學特性、金屬陽極分級特性試驗，及測定金屬電動勢與陽極反饋電動勢等方法。體內(nèi)埋藏試驗則用金相學、光譜分析和組織學觀察。一般工業(yè)用不銹鋼的腐蝕率標準為0.25?m/a，但醫(yī)用標準更低，即<0.25?m/a，方可應

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層和光潔度。表面保護層借助鈍化來實現(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，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、合適的成分與結構外，技術人員必須有正確的操作技術。 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。第Ⅱ族的鈹(Be）、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、汞(Hg)毒性強；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,32,33,34,在有毒的純金屬單質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。,35,金屬的毒性主要作用于細胞，可抑制酶的活動，阻止酶通過細胞膜擴散和破壞溶酶體。 利用測定乳酸脫氫酶(LDH)和6~磷酸葡萄糖脫氫酶(G~6~

16、PD)活性法檢測植入金屬對鼠類吞噬細胞的影響，可以表明；有毒金屬如鈷鎳和鈷鉻合金能損傷細胞，釋放 LDH，降低G~6~PD的活性，但鈦、鉻、鉬則能為吞噬細胞所耐受。 某些金屬成分還可以引起過敏反應。,36,37,38,39,3、金屬的機械性能用于人工股骨的金屬股骨頭，要求強度不低于 540Mpa。人股骨頭抗壓強度為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)代替骨骼時必須比骨骼有更高的強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。但過大也會增加應力集中，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,對人工關節(jié)的金屬材料而言，抗疲勞和耐磨損是主要問題。以髖關節(jié)為例：靜力下

18、股骨頭負荷壓力從頭凸面呈放射狀向內(nèi)傳遞，應力增高，股骨近端內(nèi)側承受的后應力較大。如股骨頭負荷為45.36kg 時，股骨近端內(nèi)側骨皮質應力高達8.27Mpa. 由強大肌力牽拉，實際應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），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?；蚋淖兤淠Σ僚?，即金屬高分子聚合物，以減小磨損

19、。,43,4、其他金屬材料可用熱、化學和放射等方法消毒滅菌，如配合應用復合材料, 應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)學金屬

20、材料的種類,金屬有較高強度和韌性，故適用于修復置換人體硬組織，對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、多孔鈦也在研制應用.　 臨床上主要應用不銹鋼、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、且價格低廉。所含元素各有其所用，可增強并維持合金結構的穩(wěn)定性、強度和抗蝕性能。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)定的保護用鈍化膜 。,48,鎳和鉻均穩(wěn)定奧氏體結構，加入鎳（12%~14%）可得到單相奧氏體組織，防止轉化為低下性能的其他結構。不銹鋼中要盡量減少Si、Mn等雜質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)植入的陰性對照材料。 不銹鋼經(jīng)濟性好，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：為鈷基奧氏體結構，即鉻鈷鉬合金，或稱釩鋼或活合金?？梢澡T造或鍛造，但硬度大，加工制作工藝較困難。從耐蝕性和機械性能考慮，較不銹鋼優(yōu)越，是目前較優(yōu)良的材料。1929年已開始應用于臨床。鍛造植入器件已列入ISO國際標準，并有硬、中、軟三種類

23、型。,50,鑄造鈷基合金含鈷高達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， 適于制作人工關節(jié)的金屬間滑動聯(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。 鈷基合金由于價格較高，加工比較困難。 應用尚不普及。,51,（3）鈦及其合金：鈦質輕，比重與人骨近似，純鈦強度

24、為390~490Mpa實驗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， 組織反應輕微，表面活性好，鈦易與氧反應形成致密氧化膜即氧化層穩(wěn)定，具有生物醫(yī)學材料的條件，適于植入，為較理想有發(fā)展的一種植入材料，也已列入ISO國際標準.,52,53,純鈦為六角形致密微細結晶，強度低。加入釩的結構為立方體。加入鋁成為穩(wěn)定的六角形結構。加入鋁和釩的鈦合金，可提高強度和機械性能，而不損失其抗蝕性，故可推廣應用，有取代不銹鋼和

25、鈷基合金之勢。,54,鈦及其合金對生理溶液和某些氨基酸有較強的耐蝕性，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。 對純鈦及其合金檢測，腐蝕極低。缺點：耐磨性能差，強度不如鈷基合金，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，可將鈦制品表面進行高溫離子氮處理，引起晶格畸變，表面具有壓應力狀態(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。動物實驗表明組織對表面滲氮鈦材反應輕微，無毒性。,56,鎳鈦記憶合金為含鎳54%~56%的鎳鈦金屬間化合物，具有獨特的形狀記憶效應、良好的生物相容性和生物力學性能。 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用。,57,用途：鈦及其合金已廣泛應用于臨床。鈦網(wǎng)與鈦箔用于修復腦膜和腹膜，鈦板用于修補顱骨，可用于制作人工骨、關

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，牙和矯形物；腦止血夾、手術器械、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。當時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，其他試劑對鉭都不起作用。對人體無刺激，體

28、液對鉭的交變疲勞強度無影響。,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肌腱、神經(jīng)和血管。鉭片或箔可修復顱骨、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。鉭的資源少，價格高，其推廣應用尚受限制。,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200萬件以上，髖關節(jié)即有5萬件以上。,63,二、新材

29、料開發(fā) 在滿足應用和研究上，主要包括工藝改進，新的合金材料和復合材料等。1、Cop Ⅰ及Ⅱ型不銹鋼 為彌補和提高316型不銹鋼的抗蝕性和強度，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)生時效強化。其強度及耐磨性不亞于鈷基合金，臨床上已用于人工關節(jié)。,64,2、多孔材料人工假體的固定一般用機械法（嵌入、螺釘）或粘合劑，均非生物性固定，有可能出現(xiàn)假體松動或下沉，

30、骨水泥且可能導致骨質溶解。七十年代以來，已在研制多孔材料并應用，如 多孔鈦、鈷基合金及陶瓷， 由其粉末或纖維燒結涂層制成，減少了植入物與骨間彈性模量的差別，骨質長入，獲得生理結合。,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；1963年美海軍武器實驗室的Buehler發(fā)現(xiàn)鎳鈦合金也具有記憶效應才引起重視；1969研制成功鎳鈦記憶鉚釘；70年

31、代進行了廣泛研究；,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，回復力大；雙程記憶同時有高溫和低溫的狀態(tài)，溫度升降可逆地反復；全程記憶為加熱時為高溫相形狀，冷卻時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，具有形狀記憶效應和超彈性，包括低溫變形和升溫回復兩個過程。即在某一溫度成形后,在室溫下可任意塑型，當溫度回復到成形溫度后，又恢復到原來的形狀。,69,表15-7 鎳鈦記憶合金的機械性能,70,表15-8 鎳鈦記憶合金的物理性能,71,用途：人工關節(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、心血管擴張支架、牙齒矯正器、齒根固定器、牙頜整矯、尿道擴張支架、避孕器 \ 輸卵

33、管夾、騎縫釘?shù)取?72,4、復合材料　　為了減少 金屬/金屬 的磨損與過敏反應，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合體。,73,5、齒科材料修復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）適于制作齒冠、冠橋等部件；鈷鉻合金（中硬質）適于作齒環(huán)、基托，硬質者則適于作舌桿、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，高溫燒結。強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，效應更佳。,76,77,銀汞合金導致的“重復充填”,78,79,牙槽骨內(nèi)種植體,80,三、國內(nèi)生物醫(yī)學金屬材料研究近況 以不銹鋼為基礎，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、復合材料及其他生物醫(yī)學材料均在研制應用，基本取代了進口。人工假體及矯形物的設計制作，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用，更符合生物力學要求 。,81,第四節(jié) 生物醫(yī)學金屬材料的臨床應用,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應用金板修復頭蓋骨破裂。17世紀中葉已用金、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，均因強度不夠或性能不適應，不能取得良好效應。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)設計出各種固定器。Sherman制成與

37、骨形狀相適應的曲形鋼板。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、修補顱骨、人工關節(jié)、人工骨、內(nèi)固定矯形物。還可廣泛用以制作醫(yī)療儀器、器件和手術器械，例如腦及動脈瘤血管夾、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、人工關節(jié)和人工

38、骨　　　人工關節(jié)和人工骨是為置換某一肢體關節(jié)或骨骼而發(fā)展起來的，適應于骨和關節(jié)嚴重破壞，引起疼痛、功能障礙或喪失的患者。,86,骨關節(jié)需負重與活動，如髖關節(jié)負重1470N~1960 N，指（趾）10N~15N，沖擊時還可增加三倍，另外還有應力影響。人工關節(jié)假體必須耐用，易固定，對人體無害，能保持良好功能。材料必須符合標準要求，性能良好，應具備荷重好、磨損少、彈性適應、,87,設計合理，適應力學要求，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，或與高分子及無機材料復合應用。　問題：感染、松動、脫位、磨損等。 解決： 有賴于關節(jié)生理基礎、材料科學、生物力學等學科的協(xié)作。,88,強度 ：金屬剛性大大超過人骨，而韌性不足。運動 自由度以接近生理情況而又穩(wěn)定為妥，不宜過度。設計：要求 應能使用50年而少損毀，低摩擦、低磨損，結構簡單，復合仿生而非解剖復制，固定牢靠。,89,1、髖關節(jié)　　早在1960年Charnley即研制全髖關節(jié)置

40、換，關節(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。 提供一低摩擦關節(jié)成形，取代病變關節(jié)功能，減輕癥狀和病廢。,90,表15-10 常用髖關節(jié)假體,91,半關節(jié)成形術：適應于>60歲的股骨頸骨折，某些 股骨頭無菌壞死。此包括半內(nèi)假體和雙動假體置換。表面置換：是半關節(jié)與全關節(jié)成形的折中方法，用于嚴重關節(jié)炎但股骨頭骨質尚正常者，適應于青年患者。如失敗還可以進一步做全髖置換或融合來

41、補救。,92,全髖置換：對改善癥狀有效，但要嚴格選擇適應癥。所用材料在半關節(jié)用金屬，雙動頭外層為超高分子聚乙烯，內(nèi)層及柄為金屬。全關節(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，均有采用。多孔材料已研制并應用，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、膝關節(jié) 膝關節(jié)不穩(wěn)定，借助于肌肉跨越關節(jié)和韌帶以獲得穩(wěn)定。故人工關節(jié)假體的設計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、脛骨斷裂或折紋和感染。磨損和生物學固定也是需要改進和解決的問題。 人工膝關節(jié)有軌道型、絞鏈型、幾何型和解剖型等類型。目前臨床應用有以下幾類：,95,表15-11 膝關節(jié)假體設計與類型,96,3、其他關節(jié) （1）指掌及指間關節(jié)：硅橡

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

44、鉸鏈型兩種。,98,99,存在問題：1、設計問題 　　缺乏合適的實驗模型來檢測假體設計。如不符合要求，用于人體效果欠佳。設計一般要求結構簡單，符合生物力學，仿生功能優(yōu)越，便于操作。2、磨損率及磨損顆粒問題　　磨損率高將導致假體植入失敗，磨損顆粒則可沉積與淋巴結中。,100,3、松動問題　　此與技術和固定方式有關。粘合劑可降解，促使骨質溶解，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,設計：,直形板加螺釘，根據(jù)骨折部位與形狀應用絲、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，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Kirschner針交叉固定，比較髓內(nèi)針或穿過骨骺或關節(jié)為佳。小型鋼板也有應用。3、脊椎骨

47、折　 內(nèi)固定物幫助整復和固定脊椎骨折遠比一般手法修復、石膏固定優(yōu)越。目前多用Harringlon棒、Luque棒、Dick釘板、Steffee釘板,也有應用記憶合金棒者。,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 關節(jié)內(nèi)骨折要求關節(jié)面的解剖復位，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)固定待改進的問題：不易獲得足夠穩(wěn)定以容許鄰近關節(jié)活動，粉碎骨折更如此近關節(jié)的骨折，即使廣泛顯露，斷端骨質也不易固定；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)固定手術的復雜性和不足，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。但由于價高，已被不銹鋼或鈦合金所替代。,108,修復牙齒的金系金屬是以金銀銅為基礎，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,用于修補顱骨。鈦箔厚0.02mm,則修補腹膜。,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）、止血劑（皓）、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，助聽器中的轉換器揚聲器 。,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，紳化鎵和鍺作探測器，鋰和鉑制作高能微電池等。,118,六、手術器械　 大部分手術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)學金屬材料研究進展及展望,生物醫(yī)學金屬材料科學是一門邊緣學科，隨著它的崛起，使替代醫(yī)學已從想象成為現(xiàn)實，

54、從而為傷殘重建和延長生命作出貢獻。研究對象為人和生命，更需有關學科通力協(xié)作，進行艱苦細致的研究和探索，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計、試制、生物學實驗和外科技術等問題。,123,一、材料的改進和探索 1、復合體的應用　　　為了減少金屬/金屬關節(jié)體組合的摩擦特性和過敏反應，盡量改用復合金屬/高分子配伍的組件，或金屬表面高分子涂層的復合假體。碳素材料也可與金屬復合應用。,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、銀汞膠囊均有進展。鎳鈦記憶合金已制成多項器件并應用。,125,二、設計的進展1、設計的改進　　人工假體的目的是替代原有組織和器官，恢復或改善其功能。其設計與結構并非仿制解剖原型，而是仿生。,126,以人工髖關節(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，有設計；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，必要時可予更換，而不需全部取出。 雙動關節(jié)增加了滑動面，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械嵌入、螺釘和粘合劑等方法，均存在一些問題。如機械法不夠牢固，粘合劑可使骨溶解。不夠理想。有用擴大假體表面以改善負重分布，減輕壓力，使獲得穩(wěn)定，效應也不滿意。,128,多孔材

57、料人工關節(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； 關節(jié)面更換、 多孔結構與長入骨的疲勞斷裂的關系等。,129,3、多股鋼絲研制　　鋼絲在臨床上應用廣泛，用于骨折內(nèi)固定、肌腱修復、縫合胸骨、口腔整矯。　　不銹鋼絲為單股，強度有限，甚至可斷裂。 第四軍醫(yī)大學唐都醫(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)質不銹鋼(Ocr18Ni8Mo2或OOCr19Ni13Mo3)，供矯形外科、整形、胸外、口腔等科應用，效果特佳 。,130,三、材料的檢測及標準化　　為了確保安全。不少國家都加強了對生物醫(yī)學材料的管理，禁止將工業(yè)材料用于臨床，并嚴格審批。英國制定了醫(yī)藥法（1968），由衛(wèi)生和社會福利部醫(yī)學處執(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：