医疗器械那些事-材料篇

物质≠材料

材料四要素：合成/制备，结构/成分，性质(性能)，使用性能(效能)

金属材料：分为黑色金属[铁，铁基合金]，有色金属[eg金 钛 铌..]

铁基合金分为铸铁和钢[碳素钢eg低碳钢中碳钢高碳钢，合金钢eg低中高合金钢以及合金结构钢，不锈钢，耐酸钢..]

金属材料特性：

        

     

植入物[生物医用金属材料]：用于人体硬组织修复和替换的金属材料

器械：用于制作人体疾患治疗工具的金属材料

医用金属材料可用于器械、骨科植入物、雅克矫形或植入、心血管支架等，其特性与要求

1、良好的生物相容性
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
合适的强度与弹性模量
较好的耐磨性
3、优良的耐腐蚀性能
在复杂的体液环境中良好的耐蚀性

常见的医用金属材料有贵金属[不锈钢，钛合金]，单质金属[钴基合金，镍钛形状记忆合金..]

发展趋势：无害化；良好的生物相容性；低弹性模量；可降解

【钛合金】

应用广泛：

• 目前已知生物亲和性最好的金属之一；
• 高的比强度；
• 优异的耐腐蚀性能：钛易于氧反应形成致密氧化钛(TiO2)钝化膜,植入后引起的组织反应轻微。凝胶状态的TiO2膜甚至具有诱导体液中钙、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
• 较低的弹性模量（110GPa）

钛合金分类：

• α钛合金：工业纯钛（TA1-TA4）   α相：密集六方晶格 882.5℃ AL,Sn,C,O,N...

              主要加入Al，高温强度、低温韧性、耐蚀性能优异；不可通过热处理强化，强度较低；

              医用品牌：TA1 ELl、TA1-TA4

• β钛合金：TB系列   β相:体心立方晶格  V,Mo,Ta,Nb,Cr...

              主要加入合金元素Mo、Cr、V、Al；

              可热处理：淬火加时效处理后，组织为β相基体上分布着细小的α相粒子，强度高；

              冶炼工艺复杂,焊接性能差；高温长时期稳定性能差(工业长用于350℃以下工作的结构件或紧固件）；传统上未应用于医疗领域

• α+β钛合金：TC系列

            主要加入合金元素：Al、V、Mo、Cr

              可热处理强化、强度高、塑性好；具有良好的热强性、耐蚀性和低温韧性；医用常见牌号:TC4、TC4ELl

ELI:Extra Low Interstitial 超低间隙原子

氧、氮、碳、氢间隙元素含量特别低的钛合金
间隙元素含量的一般要求为:O≤0.13wt%,N≤003wt%,C≤0.08wt%,H≤0.015wt%
好处:
       可以降低钛合金的塑性一脆性转变温度；可以显著提高钛合金的断裂韧性

发展趋势
        长期用于人体会析出极微量的V和Al离子,降低细胞适应性,造成骨质疏松和精神紊乱等病症;
        弹性模量与骨相比仍有较大差距,容易产生“应力屏蔽”,从而导致种植体周围出现骨吸收,最终引起种植体的松动或断裂而导致种植失败。

 不锈钢

 

通常所说的不锈钢是不锈钢与耐酸钢的总称(不锈钢不一定耐酸,但耐酸钢同时又是不锈钢)

• 不锈钢是指能抵抗大气及弱腐蚀介质腐蚀的钢种

腐蚀速度<0.01mm/年为“完全耐蚀”
腐蚀速度<0.1mm/年为“耐蚀”

• 耐酸钢是指在各种强腐蚀介质中能耐蚀的钢

腐蚀速度<0.1mm/年为“完全耐蚀”
腐蚀速度<1mm/年为“耐蚀”

腐蚀形成：“电化学腐蚀”和“化学腐蚀”
电化学腐蚀：电位差，腐蚀介质

防止腐蚀的着眼点
尽可能减少原电池数目
使钢表面形成一层稳定的、完整的、与钢的基体结合牢固的钝化膜
在形成原电池的情况下,尽可能减少两极间的电极电位差

不锈钢为什么耐蚀?
       减少原电池数目—单相不锈钢
       形成钝化膜——不锈钢钝化处理
       减小电极电位差—合金化(基本元素Cr)

不锈钢分类

• 铁素体不锈钢

元素:Wcr=13%-30%,Wc<0.25%   (有时也会加入其它元素)
金相组织:δ铁素体,加热过程中无相变,不能进行热处理强化
优点:耐蚀性极好    缺点:韧性低,脆性大
用途:用于制作耐蚀性要求较高而强度要求较低的构件,广泛用于制造生产硝酸、氮肥等设备和化工使用的管道

• 马氏体不锈钢

元素:Wcr=12%~19%
室温金相组织:回火马氏体,可热处理强化
优点:在氧化性介质(水蒸气、大气、海水等)中耐蚀性较好
缺点:在非氧化性介质中(各类酸碱溶液中)不能获得良好的钝化状态,耐蚀性很低
用途:1)耐蚀构件;2)医疗器械等

• 奥氏体不锈钢    又18-8钢

元素:基本成分:Wcr18%,Win18%,Wc<0.1%
室温金相组织:单相奥氏体,不可热处理强化
由来:克服马氏体不锈钢的耐蚀性不足和铁素体不锈钢脆性过大而发展起来的;
优点:优异的耐蚀性能;良好的塑性、加工成型性、焊接性能、低温韧性;无磁性等
缺点:局部耐蚀性能不足——晶间腐蚀、应力腐蚀、点腐蚀
用途:制造生产硝酸、硫酸等化工设备构件、冷冻工业低温设备构件;经冷变形强化后可用作不锈钢弹簧和钟表发条等。

医疗应用：

302(12Cr18Ni9)      Wc<0.12%
316(06Cr17Ni12Mo2)      Wc<008%,加Mo,Mo能够改善在电解质溶液中的耐腐蚀性能
316L(022Cr17Ni12Mo2)
Wc<0.03%,提高了其在含Cl溶液体中的耐蚀性能,降低了材料致敏性

临床应用

◆1)齿科:镶牙、齿科矫形、牙根种植及辅助器件
◆2)人工关节和骨折内固定器械:人工肩关节、肘关节、全髋关节、半髋关节、膝关节踝关节膜、血管内扩张支架等、腕关节及指关节。各种规格的皮质骨和松质骨加压螺钉、脊椎钉、骨牵引钢丝人工椎体和颅骨板等
◆3)心血管系统:各种传感器、植入电极的外壳和合金导线,可制作不锈钢的人工心脏瓣
◆4)其它:如用于各种眼科缝线、人工眼导线、眼眶填充、固定环等。

缺点：

◆腐蚀作用造成其长期植入的稳定性差
◆密度和弹性模量与人体硬组织相距较大,力学相容性差
◆溶出的镍离子有可能诱发肿瘤的形成及本身无生物活性,难于和生物组织形成牢固等原因,应用比例呈下降趋势

双相不锈钢

元素:在奥氏体不锈钢基础上,增Cr减Ni
金相组织:奥氏体+铁素体(W铁素体=40%-60%)
优点:与奥氏体不锈钢相比有较好的焊接性能
用途:广泛应用于石油化工设备、海水与废水处理设备、输油输气管线、造纸机械等工业领域

沉淀硬化不锈钢

以Cr18Ni9钢为基础发展起来的“奥氏体一马氏体”型
以Cr13型马氏体不锈钢发站内起来的低碳马氏体沉淀硬化不锈钢(典型之如17-4PH(00Cr17Ni4Cu4Nb))
优点:既有优良的焊接性能,又有较高的强度
原理:在形成马氏体基础上经过时效处理产生沉淀硬化而得到超高强度(σb~1400-1850MPa)
应用:最早主要应用于航空和宇航工业,如飞机机体的薄壁结构和蒙皮、火箭发动机外壳、高压容器等;近年来,陆续有企业使用其制作医疗器械。(17-4PH)

参考来源：医械研发：来全面了解一下医用金属 (qq.com)