外科植入物用醫用鈦及鈦合金的研發及國內外主要應用

鈦及鈦合金作為外科植入物材料應用具有很多優點，如密度小、強度高、韌性好、生物相容性好、無毒、彈性模量低、良好的耐蝕性、低X射線吸收率等，因而在醫用金屬材料中占有越來越重要的地位。鈦及其合金可用于人體硬組織修復和替換，或用于心血管和軟組織修復以及人工器官的制造，是一種與人的生命和健康密切相關的特殊功能材料。目前，已成為人工關節、人工骨、斷骨固定器、脊骨矯正桿、骨髓內釘、人工心臟瓣膜、牙科植入物、頭蓋骨等替換或修復產品的優選金屬材料。世界人口近65億，全球老齡化問題十分嚴重。據F&S公司資料顯示，全球骨科植入器械市場近5年的復合增長率約10.4%，預計到2015年將達到277億美元，而中國骨科植入器械市場將增長到166億元，年復合增長率達18.1%。

由此可見，鈦及其合金作為醫用金屬材料優選材料，其未來市場需求十分強勁，因此，在我國加大醫用鈦及其合金材料的研發和應用推廣有著十分重要的意義。
1、外科植入物用鈦材料的研發現狀
1.1、無釩醫用鈦合金　

Ti-6Al-7Nb合金是由瑞士Sulzer醫學技術公司研制開發成功的一種醫用合金。與Ti-6Al-4V合金相比，Ti-6Al-7Nb合金采用與V有相同原子濃度的無毒害β穩定元素Nb代替V，性能方面與公認的Ti-6Al-4V合金相當，是一種安全且具有發展潛力的人體植入用材料。由Ti-6Al-7Nb研制生產的多種合金植入件已投入臨床應用，效果良好。　

另一種醫用鈦合金Ti-5Al-2.5Fe是由德國研發的。與Ti-6Al-4V合金相比，以廉價、無毒的鐵元素代替釩。Ti-5Al-2.5Fe屬于中等強度材料，在機械性能、韌性以及疲勞強度等方面與Ti-6Al-4V相當。　

我國對這兩種合金也進行了研制。由寶鈦集團有限公司、北京有色金屬研究總院、河北醫科大學、山東文登整骨醫院及天津醫療器械工業公司骨科醫療器械二廠等單位聯合研制的Ti-6Al-7Nb和Ti-5Al-2.5Fe合金，經生物學性能實驗研究表明，合金具有良好的生物相容性，并能和骨組織形成良好的骨結合，目前國內由上海艾荔艾金屬材料有限公司等單位代理經銷。
1.2、新型β鈦合金　　

20世紀90年代以來，在鈦合金植入物材料方面，不斷有關于V、Al元素對人體存在潛在危害的報告。因此，開發優良綜合力學性能并與人體軟硬組織生物及力學更加相容的先進醫用金屬材料——新型β型鈦合金就成為生物醫用金屬材料的研究重點。通過添加Nb、Ta、Zr、Mo、Sn等無毒元素開發了一系列新型β型鈦合金。

1.3、Ti-Ni合金。　

Ti-Ni形狀記憶合金是一種新型的功能材料，這種功能材料具有奇特的形狀記憶效應、超彈性、耐疲勞、耐磨損、耐腐蝕、生物相容性好。因此，該合金在醫學領域得到廣泛應用。　　

Ti-Ni形狀記憶合金成功用于骨科臨床，引起骨科專家和臨床醫生的關注，并稱之為“神奇金屬”。用于骨科臨床的NTSMA的變形溫度為0-5℃，回復溫度為37℃。用NTSMA材料固定骨折后，在體溫或熱鹽水濕敷下升溫而產生形狀回復，但骨骼對材料回復產生了限制，這樣在骨折斷端產生一種動態、持續性質的加壓力或鉗夾力而達到固定骨折的作用。
1.4、多孔鈦合金　

外科植入物表面結構與植入機體后的生物學行為密切相關。與致密材料相比，孔隙的引入顯著降低了鈦及其合金的彈性模量，并且多孔鈦的強度和模量可以通過改變孔隙率、孔徑等參數調整其強度和彈性模量綜合匹配，充分利用其開放的通孔結構促進骨細胞的黏附、長入及與骨組織再生重建，加快痊愈過程，使鈦及其合金能在保持一定強度條件下實現材料與骨彈性模量的匹配。同時，多孔狀鈦合金粗糙的表面幾何結構可以促進新骨組織長入孔隙，不僅加強了植入體與骨的生物固定，還可以使應力沿植入物向周圍骨傳遞。
1.5、鈦合金表面活化技術　

鈦合金表面活化技術是骨科植入材料研發的重點領域之一。植入物的表面是與人體直接接觸的，通過表面改性，可以改善生物相容性并減少磨損，進而減少植入物松動的可能，保證植入物長期的性能......　　

通過對鈦合金進行陽極氧化、水熱處理和熱處理，在其表面生成了復合氧化物涂層。制備的梯度涂層晶型完整，表面具有很高的誘導骨羥基磷灰石層形成能力及細胞吸附和增殖能力，具有很好的生物相容性。
1.6、激光近凈成形外科植入件　

激光近凈成形技術是一種3D打印制造技術，結合計算機控制，逐步利用高能束熔化熔池中的鈦合金粉末，加工成特定形狀的骨科植入物或牙科修復物。西北工業大學等科研單位對純鈦等醫用金屬的激光立體成形工藝進行了大量研究，利用該技術制備的純鈦植入體力學性能和疲勞性能均高于純鈦，能夠滿足牙科植入物對力學性能的要求。目前，國內利用激光近凈成形技術加工鈦鎳合金和鈦合金血管支架的研究也取得了一定的進展。
2、外科植入物用材料的應用概況
2.1、國外應用概況　

具有獨特形狀記憶特性的Ti-Ni合金自成功研制以來，已用于口腔、神經外科、心血管科、胸外科、耳鼻喉科、肝膽科、泌尿外科及婦科等，產品包括牙齒矯形絲、根管銼、脊柱矯形棒、接骨板、髓內針、髕骨爪、導絲、導針、心臟補片、血管支架、血栓濾器、食道支架、呼吸道支架、膽道支架、尿道支架、直腸支架、十二指腸支架、外耳道支架、節育環等......　

全球較大的骨科專業集團公司之一STRYKER集團公司采用Ti-12Mo-6Zr-2Fe合金制造的髖關節假體系統，在質量、功能和臨床效果方面已經達到了骨科臨床要求的較高標準—優質級。同時采用Ti-Mo-Zr-Fe合金制造的頸椎前路板系統也已經用于臨床。目前，這兩種產品已引進中國市場。　　

德國20世紀80年代開發了鈦合金精鑄假肢并用于臨床，它的應用推動了現代功能假肢的發展，從此各國鈦合金精鑄假肢得到了推廣應用。　

國外尤其是德、美、日等國普遍開展顱頜面整形手術，整形手術給人們帶來自信和幸福。顱頜面整形手術所用內固定器材主要是各種形狀規格的純鈦板和各種規格純鈦制螺釘。
2.2、國內應用概況　

國內較大的鈦及鈦合金專業生產企業寶鈦集團從70年代起就開始與其它科研單位合作研制和開發鈦骨頭、鈦支架等人體植入物材料，并取得了良好的效果。上世紀70年代起，我國就開始采用國產鈦及鈦合金人造骨和關節用于臨床治療。生產的人工股骨和髖關節用于臨床后效果良好。八十年代中期，國產的鈦及鈦合金加工材用于制造人體植入物的數量不斷增加。我國采用鈦及鈦合金制造的股骨頭、髖關節、膝關節、肘關節、肩關節、掌指關節等移植到人體中，取得了非常好的效果......　　

我國在開發骨科應用的新型β型鈦合金和牙科修復用鈦合金方面也取得了顯著的進展。沈陽金屬研究所、北京有色金屬研究總院、西北有色金屬研究院等單位自主開發研制的多種醫用鈦合金已用于外科植入物和血管支架。
在多孔鈦合金應用方面，第四軍醫大學唐都醫院和西北有色金屬研究院、上海交通大學等科研單位都設計、制造了多孔鈦合金植入件，并在臨床上大量應用，取得了良好效果。

人口老齡化帶來的人體硬組織缺損已經是世界范圍內的一大問題。我國人口眾多，老齡化問題十分嚴重，需要借助于醫用植入物材料進行康復手術的病人也很多。據統計,近30年來，我國外科植入件市場發展速度驚人。過去10年的平均增長率一直保持在15％～30％之間，預計未來10年仍將以10%以上的速度增長。由此可見，鈦合金植入物在中國的市場前景十分廣闊。　

雖然我國在外科植入物用鈦合金材料的研發和應用領域進行了大量的研究工作，取得了明顯的進展,但與歐、美、日等發達國家相比，在鈦合金植入物產品的設計、制造、加工、裝備、表面處理、工藝水平等方面都存在很大差距，尤其是在一些高端植入物產品方面，國內生產的植入件難以滿足市場的需求，大部分高端植入件都需要從國外進口，這就給我國醫用材料研究單位、材料生產商及醫療研究機構、臨床醫學專家等帶來了前所未有的機遇和挑戰，這些單位應加強合作，努力協作，實現高端植入件國產化，造福于民，促進我國醫用鈦合金產業健康平穩發展。