外科植入物用医用钛及钛合金的研发与应用

1、引言


钛及其合金作为外科植入物材料应用具有很多优点，如密度小、强度高、韧性好、生物相容性好、无毒、弹性模量低、良好的耐蚀性、低X射线吸收率等，因而在医用金属材料中占有越来越重要的地位。钛及其合金可用于人体硬组织修复和替换，或用于心血管和软组织修复以及人工器官的制造，是一种与人的生命和健康密切相关的特殊功能材料。目前，已成为人工关节、人工骨、断骨固定器、脊骨矫正杆、骨髓内钉、人工心脏瓣膜、牙科植入物、头盖骨等替换或修复产品的*金属材料。世界人口近65亿，全球老龄化问题十分严重。据F&S公司资料显示，全球骨科植入器械市场近5年的复合增长率约10.4％，预计到2015年将达到277亿美元，而中国骨科植入器械市场将增长到166亿元，年复合增长率达18.1％。


由此可见，钛及其合金作为医用金属材料*材料，其未来市场需求十分强劲，因此，在我国加大医用钛及其合金材料的研发和应用推广有着十分重要的意义。

　　2、外科植入物用钛材料的研发现状
　　2.1无钒医用钛合金


Ti-6Al-7Nb合金是由瑞士Sulzer医学技术公司研制开发成功的一种医用合金。与Ti-6Al-4V合金相比，Ti-6Al-7Nb合金采用与V有相同原子浓度的无毒害β稳定元素Nb代替V，性能方面与公认的Ti-6Al-4V合金相当，是一种安全且具有发展潜力的人体植入用材料。由Ti-6Al-7Nb研制生产的多种合金植入件已投入临床应用，效果良好。


另一种医用钛合金Ti-5Al-2.5Fe是由德国研发的。与Ti-6Al-4V合金相比，以廉价、无毒的铁元素代替钒。Ti-5Al-2.5Fe属于中等强度材料，在机械性能、韧性以及疲劳强度等方面与Ti-6Al-4V相当。


我国对这两种合金也进行了研制。由宝钛集团有限公司、北京有色金属研究总院、河北医科大学、山东文登整骨医院及天津医疗器械工业公司骨科医疗器械二厂等单位联合研制的Ti-6Al-7Nb和Ti-5Al-2.5Fe合金，经生物学性能实验研究表明，合金具有良好的生物相容性，并能和骨组织形成良好的骨结合，目前国内由上海艾荔艾金属材料有限公司等单位代理经销。

　　2.2新型β钛合金


20世纪90年代以来，在钛合金植入物材料方面，不断有关于V、Al元素对人体存在潜在危害的报告。因此，开发优良综合力学性能并与人体软硬组织生物及力学更加相容的先进医用金属材料——新型β型钛合金就成为生物医用金属材料的研究重点。通过添加Nb、Ta、Zr、Mo、Sn等无毒元素开发了一系列新型β型钛合金。

2.3Ti-Ni合金。


Ti-Ni形状记忆合金是一种新型的功能材料，这种功能材料具有奇特的形状记忆效应、超弹性、耐疲劳、耐磨损、耐腐蚀、生物相容性好。因此，该合金在医学领域得到广泛应用。


Ti-Ni形状记忆合金成功用于骨科临床，引起骨科专家和临床医生的关注，并称之为“神奇金属”。用于骨科临床的NTSMA的变形温度为0-5℃，回复温度为37℃。用NTSMA材料固定骨折后，在体温或热盐水湿敷下升温而产生形状回复，但骨骼对材料回复产生了限制，这样在骨折断端产生一种动态、持续性质的加压力或钳夹力而达到固定骨折的作用。

　　2.4多孔钛合金


外科植入物表面结构与植入机体后的生物学行为密切相关。与致密材料相比，孔隙的引入显著降低了钛及其合金的弹性模量，并且多孔钛的强度和模量可以通过改变孔隙率、孔径等参数调整其强度和弹性模量综合匹配，充分利用其开放的通孔结构促进骨细胞的黏附、长入及与骨组织再生重建，加快痊愈过程，使钛及其合金能在保持一定强度条件下实现材料与骨弹性模量的匹配。同时，多孔状钛合金粗糙的表面几何结构可以促进新骨组织长入孔隙，不仅加强了植入体与骨的生物固定，还可以使应力沿植入物向周围骨传递......

　　2.5钛合金表面活化技术


钛合金表面活化技术是骨科植入材料研发的重点领域之一。植入物的表面是与人体直接接触的，通过表面改性，可以改善生物相容性并减少磨损，进而减少植入物松动的可能，保证植入物长期的性能......


通过对钛合金进行阳极氧化、水热处理和热处理，在其表面生成了复合氧化物涂层。制备的梯度涂层晶型完整，表面具有很高的诱导骨羟基磷灰石层形成能力及细胞吸附和增殖能力，具有很好的生物相容性。

　　2.6激光近净成形外科植入件


激光近净成形技术是一种3D打印制造技术，结合计算机控制，逐步利用高能束熔化熔池中的钛合金粉末，加工成特定形状的骨科植入物或牙科修复物。西北工业大学等科研单位对纯钛等医用金属的激光立体成形工艺进行了大量研究，利用该技术制备的纯钛植入体力学性能和疲劳性能均高于纯钛，能够满足牙科植入物对力学性能的要求。目前，国内利用激光近净成形技术加工钛镍合金和钛合金血管支架的研究也取得了一定的进展。

　　3、外科植入物用材料的应用概况
　　3.1国外应用概况


具有独特形状记忆特性的Ti-Ni合金自成功研制以来，已用于口腔、神经外科、心血管科、胸外科、耳鼻喉科、肝胆科、泌尿外科及妇科等，产品包括牙齿矫形丝、根管锉、脊柱矫形棒、接骨板、髓内针、髌骨爪、导丝、导针、心脏补片、血管支架、血栓滤器、食道支架、呼吸道支架、胆道支架、尿道支架、直肠支架、十二指肠支架、外耳道支架、节育环等......


全球*大的骨科专业集团公司之一STRYKER集团公司采用Ti-12Mo-6Zr-2Fe合金制造的髋关节假体系统，在质量、功能和临床效果方面已经达到了骨科临床要求的*高标准—顶尖级。同时采用Ti-Mo-Zr-Fe合金制造的颈椎前路板系统也已经用于临床。目前，这两种产品已引进中国市场。


德国20世纪80年***发了钛合金精铸假肢并用于临床，它的应用推动了现代功能假肢的发展，从此各国钛合金精铸假肢得到了推广应用。


国外尤其是德、美、日等国普遍开展颅颌面整形手术，整形手术给人们带来自信和幸福。颅颌面整形手术所用内固定器材主要是各种形状规格的纯钛板和各种规格纯钛制螺钉。

　　3.2国内应用概况


国内*大的钛及钛合金专业生产企业宝钛集团从70年代起就开始与其它科研单位合作研制和开发钛骨头、钛支架等人体植入物材料，并取得了良好的效果。上世纪70年代起，我国就开始采用国产钛及钛合金人造骨和关节用于临床治疗。生产的人工股骨和髋关节用于临床后效果良好。八十年代中期，国产的钛及钛合金加工材用于制造人体植入物的数量不断增加。我国采用钛及钛合金制造的股骨头、髋关节、膝关节、肘关节、肩关节、掌指关节等移植到人体中，取得了非常好的效果......


我国在开发骨科应用的新型β型钛合金和牙科修复用钛合金方面也取得了显著的进展。沈阳金属研究所、北京有色金属研究总院、西北有色金属研究院等单位自主开发研制的多种医用钛合金已用于外科植入物和血管支架。
在多孔钛合金应用方面，第四军医大学唐都医院和西北有色金属研究院、上海交通大学等科研单位都设计、制造了多孔钛合金植入件，并在临床上大量应用，取得了良好效果。

　　4、结语


人口老龄化带来的人体硬组织缺损已经是世界范围内的一大问题。我国人口众多，老龄化问题十分严重，需要借助于医用植入物材料进行康复手术的病人也很多。据统计,近30年来，我国外科植入件市场发展速度惊人。过去10年的平均增长率一直保持在15％～30％之间，预计未来10年仍将以10％以上的速度增长。由此可见，钛合金植入物在中国的市场前景十分广阔。


虽然我国在外科植入物用钛合金材料的研发和应用领域进行了大量的研究工作，取得了明显的进展,但与欧、美、日等发达国家相比，在钛合金植入物产品的设计、制造、加工、装备、表面处理、工艺水平等方面都存在很大差距，尤其是在一些高端植入物产品方面，国内生产的植入件难以满足市场的需求，大部分高端植入件都需要从国外进口，这就给我国医用材料研究单位、材料生产商及医疗研究机构、临床医学专家等带来了前所未有的机遇和挑战，这些单位应加强合作，努力协作，实现高端植入件国产化，造福于民，促进我国医用钛合金产业健康平稳发展。