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结构强度研究 医用植入材料疲劳性能研究必威体育精装版进展 王卫泽轩福贞涂善东 (华东理工大学机械与动力工程学院承压系统安全科学教育部重点实验室) ■要t论文回顾了耳前常用的生物材料及其疲劳性能研究结果，医用植入材料涵盖了金属、陶瓷、 聚合物、金属涂层复合植入材料。研究表明在大气中钴铬合金与钛合金的疲劳抗力较高，316不锈钢 较小。而在腐蚀环境中金属的疲劳抗力降低5-20％左右．陶瓷材料由于其固有的力学性能特点，在植 入材料中应用时尺寸受到一定的限制．聚合物材料一直是软组织植入的最好材料，通过对聚合物进行 增强以期制造硬组织植入体或提高生物活性是目前的研究热点．而金属基体与涂层的复合体的制备方 式包括热喷涂、离子柬沉积、等离子注入等。根据涂层材料成分的不同以及制各方法的差异，金属涂 层复合体的疲劳性能变化各异。最后论文介绍了生物材料疲劳性能的常用试验方法以及测试标准． 美鲁词。医用植入材料；涂层：疲劳；断裂 人体处于正常的生理活动时，承受的力学行为在本质上是动态的。牙齿每年要咀嚼约一千万 次，心脏每年要跳动四千万次【11，髋关节每年要经历三百五十万次的循环应力【2】。植入人体的医 用生物材料在体内同样承受疲劳载荷作用，基于此，本文对目前常用的医用植入材料及其疲劳性 能的研究结果进行了总结与回顾。 1 医用植入材料及其疲劳性能 1．1金属植入材料 目前常用的金属植入材料有钛合金、不锈钢和钴基合金等聊。总体上，316不锈钢的疲劳强 度最低，而钴铬合金与钛合金的疲劳强度普遍较高。另外，加工处理方式对材料的疲劳强度影响 较大。铸造植入材料的疲劳强度总体上低于锻造制备的材料。热等静压处理材料的微观组织细小， 因此制备材料的疲劳强度提高幅度最大【IJ，与铸造材料相比，提高幅度达到两倍左右。人体中的 1．10MPal41。比较可见，金属植入材料的疲劳强度一般可以满足组织移植需求lIJ。 目前医用植入材料中常用的钛合金是Ti6A14V(TC4)，有80％以上的钛合金植入体均选用这 种材料131。研究表明TC4在低周疲劳载荷作用下，经过一定的疲劳损伤后，材料的拉伸强度增加， 延伸率降低，试样表面与内部的硬度不同。在低周疲劳的后期，试样表面与内部的硬度梯度消失， 远离表面处的位错密度大幅度增加。而TCA在承受高周疲劳载荷时，材料的力学性能基本不变闭。 以日本学者NiinomiM为首的科研团队致力于开发有较好生物相容性的13型钛合金。研究表明材 料的缺口疲劳强度小于光滑试样的疲劳强度DI。圃溶处理后的时效处理可以大幅度提高13型钛合 处理工艺对钛合金的疲劳性能也有一定的影响。对Ti6A17Nb表面进彳亍喷砂与喷丸处理后，其疲 劳极限由560MPa增加到590MPa【6l。另外。在体内的腐蚀环境下，裂纹起裂是力学一化学交互作 ·232· 结构强度研究 用的结果。316不锈钢在体外盐溶液环境中，疲劳强度降低150MPa，降低幅度为百分之十几llJ。 在O．9％氯化钠溶液中，纯钛的疲劳裂纹扩展速率大于在干燥空气中的扩展速率[71。 1．2陶瓷植入材料 陶瓷植入材料按照其生物活性分为生物活性与生物惰性材料。生物活性陶瓷如磷酸钙、生物 玻璃陶瓷等。前者的断裂韧性一般较低，只有0．5．IMPa√M，因此广泛用于在金属材料表面制备 涂层。而生物玻璃陶瓷材料的断裂韧性较高，为2-2．5MPa√M，其疲劳问题一般与界面疲劳有 关。生物惰性陶瓷的断裂韧性更高，如氧化铝的断裂韧性为415MPa历，氧化错的断裂韧性为 6-15 MPa√M。但与金属材料相比，陶瓷的断裂韧性要小很多，因此氧化铝制作的髋关节头的尺 寸需要大于28ram。Il‘氧化锆的断裂韧性高于氧化铝，通过对四方氧化锆多晶体，分别在l一12kN 环后仍没有失效。当循环载荷为2．8．28kN时，氧化锆多晶体可以承受五千万次循环而不失效嗍。 当最大载荷由90kN降低到15kN时，氧化锆的循环断裂比增加，当载荷低于28l洲时循环断裂比 趋向无穷大网。但由于氧化锆具有多晶型和杂质难以去除的问题，因此在用于制备医用制品前需 进行认真评估[Sl。 1．3聚合物植入材料 医用聚合物材料的疲劳极限较低。TeohSHtll的研究指出在37℃盐溶液中聚缩醛和超高分子 量聚乙烯的疲劳极限不到12MPa，因此超高分子量聚乙烯制成的髋关节头在接触应力大