生物醫(yī)用鈦合金材料及應(yīng)用

1、生物醫(yī)用鈦合金材料及應(yīng)用摘要：隨著生物技術(shù)的蓬勃發(fā)展和重大突破，生物醫(yī)用鈦合金的需求量快速增長(zhǎng)。不過，已被廣泛應(yīng)用的TC4及TC4ELI等醫(yī)用鈦合金中因?yàn)閂和Al元素存有的致病性，所以新型醫(yī)用鈦合金的研發(fā)在我國(guó)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的市場(chǎng)前景。本文簡(jiǎn)述生物醫(yī)用鈦合金分類，基本性能和應(yīng)用基礎(chǔ)；指出了其在醫(yī)用領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)；并綜述了新型（3鈦合金的基本加工制備方法和性能評(píng)價(jià)方法。關(guān)鍵詞：醫(yī)用鈦合金；開發(fā)；研究進(jìn)展；加工制生物醫(yī)用鈦合金材料是專指用于生物醫(yī)學(xué)工程的一類功能結(jié)構(gòu)材料，具體指是用于外科植入物和矯形器械產(chǎn)品的生產(chǎn)和制造1。鈦合金加工材的生產(chǎn)制備涉及冶金，壓力加工，復(fù)合材料和化工等領(lǐng)域，是

2、世界上公認(rèn)的高技術(shù)產(chǎn)品。鈦及鈦合金開始由航天、航空、國(guó)防軍工領(lǐng)域逐漸進(jìn)入到民用消費(fèi)領(lǐng)域2。諸如醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)中的植入物，醫(yī)療器械；體育休閑業(yè)的鈦高爾夫球桿以及鈦眼鏡架、鈦手表、鈦?zhàn)孕熊嚨犬a(chǎn)品，對(duì)鈦加工材的需求量在持續(xù)增大。隨著生物技術(shù)的蓬勃發(fā)展和重大突破，生物醫(yī)用金屬材料及其制品產(chǎn)業(yè)將發(fā)展成為世界經(jīng)濟(jì)的一個(gè)支柱產(chǎn)業(yè)3。其中，鈦及其合金憑借著質(zhì)輕，彈性模量低，無毒無磁，抗腐蝕，強(qiáng)度高、韌性好等優(yōu)良的綜合性能，于近年來的需求量也出現(xiàn)了快速穩(wěn)步的增長(zhǎng)4。同時(shí)，隨著鈦合金開始進(jìn)入整形外科等領(lǐng)域，新的潛在市場(chǎng)需求出現(xiàn)，未來鈦合金市場(chǎng)將會(huì)出現(xiàn)更快速的增長(zhǎng)。1醫(yī)用鈦合金的研究進(jìn)展1.1 醫(yī)用鈦合金的分類鈦合金

3、按材料顯微組織類型可分為：口型，+(3型和B型鈦合金3類。1.2 醫(yī)用鈦合金的發(fā)展趨勢(shì)經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)研8-14發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究學(xué)者一致認(rèn)為醫(yī)用鈦合金的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)標(biāo)志性的階段，第一階段是以純鈦和Ti-6Al-4V合金為代表的；第二階段是以Ti-5A1-2.5Fe、Ti-6A1-7Nb為代表的新型+B型合金；第三階段是主要開發(fā)與研制具有更好生物相容性和更低彈性模量(3-鈦合金的階段。理想的生物醫(yī)用鈦合金材料15必須滿足有以下條件：良好的生物相容性、彈性模量低、密度低、防腐性能好、無毒、屈服強(qiáng)度高、疲勞壽命長(zhǎng)、室溫下有較大的塑性、易成形、易鑄造等。而當(dāng)前一直廣泛應(yīng)用于植入物材料的重要合金為Ti-

4、6A1-4V和Ti-6A1-4VELI。有文獻(xiàn)報(bào)道16-19V元素可引起惡性組織反應(yīng)，可能對(duì)人體產(chǎn)生毒副作用，Al則會(huì)引起骨質(zhì)疏松和精神紊亂等病癥；為了解決此問題，當(dāng)前生物材料學(xué)家便致力于探索與研究不含V、Al的新型生物醫(yī)用鈦合金材料，在此之前很有必要搞清楚什么樣的合金元素是適合添加的既無毒又符合生物相容性原理的。有研究20-23發(fā)現(xiàn)含鋁，鋁，鋁，錯(cuò)等無毒元素的B鈦合金含有較高含量的B穩(wěn)定元素，與+（3型鈦合金相比，具有較低的彈性模量（E=5580GPa以及更好的剪切性能和韌性，更適于作為植入物植入人體。2鈦合金的應(yīng)用2.1 鈦合金的醫(yī)用基礎(chǔ)使用鈦及鈦合金作為人體植入物的優(yōu)勢(shì)主要有：（1）密度

5、（20C）=4.5g/cm3,質(zhì)輕。植入人體內(nèi)：減輕人體負(fù)荷量，作為醫(yī)療器械：減輕醫(yī)務(wù)人員操作負(fù)荷。（2）彈性模量低，純鈦為108500MPa植入人體內(nèi)：與人體自然骨更接近，利于接骨，減少骨頭對(duì)植入物的應(yīng)力屏蔽效應(yīng)。（3）無磁性，不受電磁場(chǎng)和雷雨天氣影響，利于使用后的人體安全。（4）無毒性，作為植入物對(duì)人體無毒副作用。（5）抗腐蝕性（生物惰性金屬材料），在人體血液的浸泡環(huán)境中有優(yōu)異的耐腐蝕性能，保證與人體血液及細(xì)胞組織的相容性好，作為植入物不產(chǎn)生人體污染，不會(huì)發(fā)生過敏反應(yīng)，這是鈦及鈦合金應(yīng)用的基礎(chǔ)條件。（6）強(qiáng)度高、韌性好，因外傷、腫瘤等因素導(dǎo)致骨、關(guān)節(jié)損害，為建立穩(wěn)固的骨支架，必須借助弧型板

6、、螺絲釘、人造骨及關(guān)節(jié)等，這些植入物要長(zhǎng)期留置于人體內(nèi)，會(huì)受到人體的彎曲、扭轉(zhuǎn)、擠壓、肌肉收縮力等作用，要求植入物具有高的強(qiáng)度和韌性。2.2 鈦合金的醫(yī)用領(lǐng)域及骨科領(lǐng)域市場(chǎng)情況隨著鈦合金的開發(fā)研制、鈦材品種的增多及價(jià)格的降低，鈦在民用工業(yè)中的應(yīng)用成倍增加。CFDA各醫(yī)療器械按照其安全性由高至低分為三個(gè)等級(jí)，并分別由三級(jí)政府實(shí)行監(jiān)督管理，鈦及鈦合金材料的植入物屬于第三類醫(yī)療器械，并為高值耗材類。細(xì)分市場(chǎng)占比超過5%勺子行業(yè)包括體外診斷，心臟，影像診斷，骨科，眼科，整形六大細(xì)分領(lǐng)域。其中體外診斷、骨科和心臟介入是國(guó)內(nèi)增速最快的高值耗材。生物醫(yī)用鈦及其合金材料的應(yīng)用經(jīng)歷了3個(gè)標(biāo)志性階段27:應(yīng)用初期

7、50年代初，首先在英國(guó)和美國(guó)，商業(yè)純鈦被用來制造接骨板、螺釘、髓內(nèi)釘和魏關(guān)節(jié)。瑞士Mathys公司也采用Ti-6A1-7Nb合金制造非擴(kuò)髓帶鎖髓內(nèi)釘系統(tǒng)（包括脛骨、肱骨、股骨）及用于治療股骨頸骨骨折的中空螺釘?shù)?。多孔Ni-Ti（PNT）合金生物活性材料制造頸、腰椎間融合器（Cage）加拿大BIORTHE淤司研制出采用多孔NiTi合金專利材料ACTIPORE制造頸、腰椎間融合器用于骨科脊柱損傷的治療。新型（3鈦合金可兼顧骨科，齒科和血管介入等多種用途的先進(jìn)材料骨科醫(yī)療器械行業(yè)占比世界醫(yī)療器械市場(chǎng)份額的9%且仍處于快速增長(zhǎng)中。骨科醫(yī)療器械市場(chǎng)的主要?jiǎng)澐譃樗膫€(gè)領(lǐng)域創(chuàng)傷、關(guān)節(jié)、脊柱和其他。其中創(chuàng)傷類是

8、當(dāng)前唯一沒有被外企占據(jù)主要市場(chǎng)份額的細(xì)分領(lǐng)域，主要原因是該領(lǐng)域產(chǎn)品技術(shù)含量較低，易仿制，手術(shù)難度較小，眾多二三級(jí)醫(yī)院都可實(shí)行，外企無法全面覆蓋。創(chuàng)傷類產(chǎn)品能夠分為內(nèi)固定和外固定器械，內(nèi)固定創(chuàng)傷類產(chǎn)品包括髓內(nèi)釘、接骨板和螺釘?shù)龋?012年國(guó)內(nèi)骨科市場(chǎng)中創(chuàng)傷占比34%關(guān)節(jié)28%脊柱20%其他18%大關(guān)節(jié)屬于高端醫(yī)療器械，技術(shù)壁壘較高，當(dāng)前主流醫(yī)院對(duì)骨科材料的選用上都是以進(jìn)口為主，在技術(shù)、設(shè)計(jì)、研發(fā)、材料、表面處理工藝等方面，國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口產(chǎn)品還存有差別。人工關(guān)節(jié)主要分為人工膝、魏、肘、肩、指、趾關(guān)節(jié)等，其中最主要的關(guān)節(jié)置換包括魏關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，合計(jì)超過世界關(guān)節(jié)置換市場(chǎng)的95%脊柱植入器械包括胸腰椎釘板系

9、統(tǒng)，頸椎釘板系統(tǒng)和融合器系統(tǒng)等，其中椎間融合器系統(tǒng)主要用于椎間盤更換的治療，也是最重要的細(xì)分領(lǐng)域，約占整個(gè)脊柱植入市場(chǎng)的一半。3結(jié)語鈦合金的優(yōu)越性能成就了其在醫(yī)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。鈦合金的材料設(shè)計(jì)與制備技術(shù)隨著生物技術(shù)的突破和醫(yī)療應(yīng)用的大量需求得到了快速發(fā)展。當(dāng)前生產(chǎn)的醫(yī)用鈦合金主要為+(3型鈦合金。從制備工藝來看，TC4(TC4ELI)的生產(chǎn)當(dāng)前占據(jù)主要市場(chǎng)份額。(3型鈦合金因?yàn)樵谏锵嗳菪院土W(xué)相容性方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，所以已經(jīng)成為新型醫(yī)用鈦合金的研究熱點(diǎn)，是在醫(yī)用植入物領(lǐng)域最具潛力的技術(shù)。今后鈦合金的生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)向著低模量，高強(qiáng)度，具有良好生物相容性和力學(xué)相容性的方向發(fā)展。從發(fā)展趨勢(shì)來看，(3型鈦合金將成為未來發(fā)展的方向和醫(yī)用鈦合金市場(chǎng)的主流。參考文獻(xiàn):1吳義舟，郭愛紅.生物醫(yī)用鈦合金發(fā)展和研究現(xiàn)狀J.材料開發(fā)與應(yīng)用，2010,25(2):81-84.22010-