鈦合金在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用.ppt

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鈦和鈦基復(fù)合材料的主要應(yīng)用,,歷史學(xué)院 凌長(zhǎng)均,,鈦于1791年由格雷格爾于英國(guó)康沃爾郡發(fā)現(xiàn)，并用希臘神話的泰坦為其命名。在地殼中，鈦的儲(chǔ)量?jī)H次于鐵、鋁、鎂居于第四位，它儲(chǔ)量非常的豐富 。鈦的正真利用在20世紀(jì)五十年代，美國(guó)研制成功的Ti-6Al-4V合金。 鈦的性能： 由于鈦具有熔點(diǎn)高、強(qiáng)度大、韌性好、抗疲勞、耐腐蝕、導(dǎo)熱系數(shù)低、高低溫度耐受性好等優(yōu)越性能，尤其是鈦能和鐵、鎂、鉬等其他金屬溶合成性能優(yōu)越的合金或復(fù)合材料。 定義：鈦合金是以鈦為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金。 種類：α合金,(α+β)合金和β合金。中國(guó)分別以TA、TC、TB表示。 鈦合金的缺點(diǎn) 鈦合金主要限制是在高溫與其它材料的化學(xué)反應(yīng)性差，這容易造成模具的損壞，這就使鈦合金的價(jià)格變得十分昂貴。這是鈦合金無(wú)法發(fā)揚(yáng)光大的最大致命傷。,目前，鈦及其合金主要用于航天航空和軍事工業(yè)上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鈦在航空航天的應(yīng)用約占鈦總量的7左右。鈦主要應(yīng)用與軍用飛機(jī)、民用飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天器、人造衛(wèi)星殼體連結(jié)座、高強(qiáng)螺栓、燃料箱、導(dǎo)彈尾翼等 船舶行業(yè) 鈦合金在海洋條件下有著及其優(yōu)良的耐腐蝕性能、高比強(qiáng)度、無(wú)磁等特點(diǎn)因而廣泛應(yīng)用于船舶行業(yè)。目前，鈦在船舶上已經(jīng)應(yīng)用的部件有：耐壓殼體、螺旋槳和槳軸、通海管道、閥門及附件、熱交換器聲學(xué)裝置零件部件。 體育器械 在體育行業(yè)的應(yīng)用正在興起。目前主要應(yīng)用于鈦鑄造的高爾夫球桿頭，具有重量輕、強(qiáng)度大與不銹鋼相比可以制作打擊面與容積更大的球頭，因而打得準(zhǔn)，打得遠(yuǎn)。 化工和能源 化工、冶金、造紙、制堿、石油和農(nóng)藥工業(yè)是使用鈦合金較早的行業(yè)主要用于耐腐漿泵、閥門、葉輪、陽(yáng)極液槽、加熱器、蒸發(fā)器等部件。 其它行業(yè)， 在建筑業(yè)中，鈦的應(yīng)用越來(lái)越廣，主要應(yīng)用與許多重污染的地方、都市和海濱地區(qū)的腐蝕問(wèn)題得到很好的解決。比如日本建造的世界首例鈦屋頂加利福利亞的塞里托斯千年圖書館的屋頂。 農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)、食品業(yè)和制藥業(yè)中、核工業(yè)中、日常消費(fèi)品中，鈦用于制造手表殼、照相機(jī)外殼、野營(yíng)用具、錄放機(jī)、拐杖、剪子、剃須刀等等。日本星野樂(lè)器公司使用鈦制作了鼓，，市場(chǎng)上出現(xiàn)了9克鈦制的眼鏡架。,鈦合金諸多領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)例,,鈦在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用 生物醫(yī)用材料是用于對(duì)生物體進(jìn)行診斷、治療、修復(fù)或替換其病損組織、器官或增進(jìn)其功能的金屬或合金，主要用于骨和牙等應(yīng)組織的秀發(fā)和替換、心血管和軟組織修復(fù)以及人工器官的制造。鈦的物理性能具有密度低、比強(qiáng)度高、耐熱及耐腐蝕性好、生物相容性優(yōu)異等特點(diǎn)，此外鈦及鈦合金具有無(wú)毒、質(zhì)輕、耐生物體腐蝕、彈性模量低及生物相容性優(yōu)異等特點(diǎn)，成為理想的醫(yī)用金屬材料，被廣泛應(yīng)用于人體骨、人體關(guān)節(jié)、牙科、整形外科、心臟外科、體內(nèi)支撐架及醫(yī)療器械等醫(yī)學(xué)領(lǐng)先,迄今為止，還沒(méi)有看到比鈦合金更好的金屬材料應(yīng)用于臨床的了。美國(guó)、西歐等極其重視鈦合金的研發(fā)工作，不斷發(fā)出新型醫(yī)用材料，擴(kuò)大了臺(tái)機(jī)器合金在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，滿足了各類假肢、牙病患者康復(fù)的愿望。,作為生物醫(yī)用材料的鈦及其合金必須滿足 1.生物力學(xué)相容性：主要包括硬度、屈服強(qiáng)度、彈性模量和延伸性。如果植入物由于強(qiáng)度不高或者植入物與人體骨之間的機(jī)械性能不匹配而發(fā)生斷裂失效，這就是生物不相容性。通常期望骨修復(fù)植入物的彈性模量與人體骨的彈性模量接近，人體骨的彈性模量在4~30GPa之間。 2.生物相容性：作為植入物的材料應(yīng)該對(duì)人體無(wú)毒性、在體內(nèi)不會(huì)引起任何炎癥和過(guò)敏反應(yīng)植入物在人體植入成功主要取決于材料與人體的反應(yīng)，這也能衡量材料的生物相容性。 3.耐腐蝕和耐磨性能：在體液環(huán)境中，植入材料的有效使用時(shí)間取決于磨損性，耐磨性能差會(huì)引起植入物松動(dòng)并且產(chǎn)生磨損碎屑，在沉積的組織中引起反應(yīng)。 4.骨結(jié)合性：植入材料表面由于微運(yùn)動(dòng)與人體骨和其它組織不能很好地結(jié)合，就會(huì)導(dǎo)致植入物在體內(nèi)松動(dòng)。植入物表面化學(xué)表面粗糙度和表面性毛豆對(duì)骨結(jié)合起著主要作用。,醫(yī)用鈦合金材料 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中廣泛使用的仍是Ti-6Al-4v ELI合金。但后者會(huì)析出極微量的釩和鋁離子，降低了其細(xì)胞適應(yīng)性且有可能對(duì)人體造成危害，這一問(wèn)題早已引起醫(yī)學(xué)界的廣泛關(guān)注。美國(guó)早在20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始研制無(wú)鋁、無(wú)釩、具有生物相容性的鈦合金，將其用于矯形術(shù)。日本、英國(guó)等也在該方面做了大量的研究工作，并取得一些新的進(jìn)展。例 在日本已開(kāi)發(fā)出一系列具有優(yōu)良生物相容性的α+β鈦合金，包括Ti-15Zr-4Nb_4ta-0.2Pd、Ti-15Zr-4Nb-aTa-0.2Pd-0.20~0.05N、Ti-15Sn-4Nb-2Ta-0.2Pd和Ti-15Sn-4nb-2Ta-0.2Pd-0.20，這些合金的腐蝕強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕性能均優(yōu)于Ti-6Al-4v ELI。與α+β鈦合金相比，β鈦合金具有更高的強(qiáng)度水乎，以及更好的切口性能和韌性，更適于作為植入物植入人體。 在美國(guó)，已有5種β鈦合金被推薦至醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，即TMZFTM（TI-12Mo-^Zr-2Fe）、Ti-13Nb-13Zr、Timetal 21SRx（TI-15Mo-2.5Nb-0.2Si）、Tiadyne 1610（Ti-16Nb-9.5Hf）和Ti-15Mo。 估計(jì)在不久的將來(lái)，此類具有高強(qiáng)度、低彈性模量以及優(yōu)異成形性和抗腐蝕性能的廬鈦合金很有可能取代目前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中廣泛使用的Ti-6Al-4V ELI合金[28,32]。,鈦合金在醫(yī)學(xué)方面的具體應(yīng)用,,面部治療 當(dāng)人體面部遭到嚴(yán)重破壞時(shí)，局部組織修復(fù)就要用外科植入人體進(jìn)行。鈦合金具有良好的生物相容性和所需 強(qiáng)度，因此 是人體面部組織修復(fù)的理想材料。純鈦網(wǎng)做為骨頭托架已用于顎骨再造手術(shù)。,介入性治療 介入性治療通常實(shí)在X射線圖像監(jiān)視下，利用穿刺插管技術(shù)將特制導(dǎo)管、支架等沿血管或體內(nèi)其他管腔輸送到體內(nèi)病變處就地治療。過(guò)去的316L不銹鋼制的支架縱向柔韌性不太滿意，而鈦鎳形狀記憶合金支架具有偏向式力學(xué)效應(yīng)和形體記憶效應(yīng)，除此之外良好的冷加工成形性，更適合人體要求。 人體矯形 鈦合金彈性模量比不銹鋼更接近人體骨骼，因此鈦合金肘關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)等被廣泛用于人體矯形手術(shù)中。據(jù)報(bào)道每年世界上大約有一億病人由于臂關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)炎癥而進(jìn)行替換治療，因此鈦制假肢應(yīng)用前景廣泛。,循環(huán)系統(tǒng)醫(yī)療器械鈦通常被用在制作心率調(diào)節(jié)器和除顫器，它可以作為載體工具替代心臟本身某些功能，如心臟瓣膜。美國(guó)活性金屬公司提供了一種鈦材，用以制造主動(dòng)脈瓣膜．外科醫(yī)生把這種心臟瓣膜放在適當(dāng)位置而不必進(jìn)行縫合。在心臟起搏器中，密封的鈦盒能有效防止潮氣滲入密封的電子元器件。人工肺關(guān)鍵部位使用的微孔鈦片作為氣體擴(kuò)散元件將氧氣擴(kuò)散到體外循環(huán)的病人血液中，將靜脈血變成動(dòng)脈血。,手術(shù)器械鈦醫(yī)療器械具有良好的抗腐蝕能力，反復(fù)的清洗、消毒表面質(zhì)量不受影響；無(wú)磁性，能夠排除對(duì)微小、敏感植入電子器械的破壞威脅；質(zhì)輕，用來(lái)替代不銹鋼重量大為減輕，使醫(yī)生操作過(guò)程中更加靈活，降低醫(yī)生的疲勞程度。因此，目前已用來(lái)制作手術(shù)刀片、止血鉗、剪刀、電動(dòng)骨鉆、鑷子等等,前景及展望 鈦合金具備生物醫(yī)用材料所需的優(yōu)異性能而大量用作人體植入物，特別是作為人體硬組織修復(fù)和替代的材料。關(guān)節(jié)置換是由例如骨質(zhì)疏松癥、骨關(guān)節(jié)炎和創(chuàng)傷等疾病引起的。據(jù)估計(jì)到2030年底，對(duì)長(zhǎng)期有效的植入物需求增長(zhǎng)巨大，全髖關(guān)節(jié)置換數(shù)將增長(zhǎng)174%，全膝關(guān)節(jié)成形術(shù)預(yù)計(jì)增長(zhǎng)673%。外科修復(fù)增長(zhǎng)，由于各種原因引起的身體創(chuàng)傷增多。因此開(kāi)發(fā)具有較長(zhǎng)使用壽命和優(yōu)異生物相容性的鈦合金材料，應(yīng)用前景廣闊。 目前已開(kāi)發(fā)的生物醫(yī)用鈦合金需要改進(jìn)的方面是通過(guò)表面改進(jìn)提高耐蝕性，對(duì)延長(zhǎng)植入物在體內(nèi)使用壽命很重要；其次是開(kāi)發(fā)多孔材料，降低彈性模量，避免應(yīng)力遮擋效應(yīng)同時(shí)能促進(jìn)骨重建并骨細(xì)胞的生長(zhǎng)提供了良好環(huán)境；以及改進(jìn)加工工藝，采用粉末冶金新技術(shù)，降低材料成本。,,,,謝謝觀賞,