引 言
金屬材料用于人體修復(fù)已有數(shù)百年的歷史，早在18世紀(jì)后期，F(xiàn)e、Au、Ag、Pt等金屬就已經(jīng)用于人體斷骨固定? 。與高分子材料、陶瓷材料等其他材料相比，金屬材料作為醫(yī)用材料具有強(qiáng)度高、韌性良好及加工性能好等特點(diǎn)，在整個(gè)生物材料市場(chǎng)所占份額達(dá)到40％左右 。目前，醫(yī)用金屬材料主要包括醫(yī)用鈦材、不銹鋼材料和鈷基合金這幾大類。然而在人體環(huán)境內(nèi)，不銹鋼和鈷基合金會(huì)溶出Ni、cr和c0等元素，對(duì)人體產(chǎn)生毒副作用 。另外，不銹鋼的彈性模量約為210 GPa，鈷基合金的彈性模量約為240 GPa，遠(yuǎn)高于人體骨骼的彈性模量(約2O～30 GPa)，容易產(chǎn)生“應(yīng)力屏蔽”而導(dǎo)致種植體周圍出現(xiàn)骨吸收，最終導(dǎo)致種植體松動(dòng)或斷裂。而鈦及鈦合金尤其是 鈦合金不僅具有較低的彈性模量，而且具有良好的抗蝕性和優(yōu)良的生物相容性，因而在臨床治療中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
1、醫(yī)用鈦合金的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀
1.1 發(fā)展歷史
20世紀(jì)60年代，純鈦?zhàn)鳛槿梭w植入物開(kāi)始應(yīng)用于臨床。雖然純鈦材料在生理環(huán)境中有著優(yōu)良的抗蝕性，但其強(qiáng)度低，耐磨損性能差，僅可用于承受載荷較小部位的骨替代及口腔修復(fù) J。隨后應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的TC4鈦合金被引進(jìn)到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，解決了純鈦材料強(qiáng)度不能滿足要求的問(wèn)題， 同時(shí)Ti一3A1-2.5V合金也開(kāi)始在臨床上被用做人體脛骨和股骨的替換材料[6 ]。到了20世紀(jì)80年代中期，臨床應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)TC4鈦合金人工髖關(guān)節(jié)周圍的骨組織出現(xiàn)了黑化和感染現(xiàn)象，隨后人們對(duì)此進(jìn)行研究，證實(shí)TC4鈦合金中所含的V元素會(huì)對(duì)生物體產(chǎn)生毒副作用，且生物毒性超過(guò)了Ni和cr 。到20世紀(jì)90年代中期，德國(guó)和瑞士先后研制出第二代醫(yī)用鈦合金——無(wú)V的 +口型Ti一5 Al-2.5Fe和Ti一6Al_7Nb合金 。但這類合金還是存在與骨骼彈性模量不匹配的問(wèn)題，植入體容易松動(dòng)或失效，而且這類合金還含有對(duì)人體存在潛在危害的Al元素。相比 鈦
合金和 + 鈦合金，盧鈦合金的彈性模量低且強(qiáng)度和耐磨損性較高，因此，第三代醫(yī)用鈦合金——不含Al、V的低彈性模量 鈦合金成為主要研發(fā)方向。
1.2 新型醫(yī)用 鈦合金的研發(fā)現(xiàn)狀
1.2.1 國(guó)外新型醫(yī)用／3鈦舍金的研究
為了滿足醫(yī)療領(lǐng)域?qū)Φ蛷椥阅Ａ库伜辖鸩牧系囊螅芯咳藛T進(jìn)行了大量無(wú)毒、無(wú)過(guò)敏性的新型口鈦合金的研發(fā)工作，并已成功開(kāi)發(fā)出了Ti一12Mo-6Zr-2Fe Ti-12Mo-5Zr-5Sn Ti-15Mo、Ti一16Nb一10HfTi·13Nb-13Zr、Ti一15Mo-2 8Nb-0.2Si、Ti-30Ta Ti一45Nb、Ti.35Zr-10Nb、Ti-35Nb-TZr-5Ta、Ti-29Nb一13Ta-4.6Zr、Ti一8Fe一8Ta和Ti一8Fe-8Ta-4Zr等鈦合金，主要用于人造牙根、人工髖關(guān)節(jié)、骨螺釘、接骨板和植入棒等植入體。這些新型／3鈦合金的彈性模量都比較低，對(duì)于減少“應(yīng)力屏蔽”的發(fā)生，防止骨密度下降以及降低植入體的失效幾率具有十分重要的意義。
美國(guó)開(kāi)發(fā)了多種低彈性模量的／3鈦合金。Ti.13Nb一13Zr合金是美國(guó)于1994年研制的一種醫(yī)用鈦合金，并且是第一個(gè)被正式列入國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的低彈性模量醫(yī)用鈦合金 。TIMETAL 21SRx鈦合金名義成分為T(mén)i.15Mo.3Nb-0.2Si，是20世紀(jì)80年代美國(guó)為航天飛機(jī)用金屬基復(fù)合材料而開(kāi)發(fā)的，隨后也作為人體植入材料應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。為了保持該合金中／3相的穩(wěn)定性，其氧含量(約0.3％ ，質(zhì)量分?jǐn)?shù))要比一般的鈦合金高。與TC4鈦合金相比，該合金有著較高的拉伸強(qiáng)度及較低的彈性模量(83GPa)，且耐蝕性能更好。Ti—Osteum(Ti-35Nb-7Zr一5Ta)和TMZF(Ti一13Mo-7Zr一3Fe)是美國(guó)為制造人工髖關(guān)節(jié)而開(kāi)發(fā)的兩種 鈦合金，其彈性模量較低，接近于人體骨骼，有利于人體骨骼與植入體之間的應(yīng)力緩沖和傳遞。美國(guó)還研制了一種亞穩(wěn)態(tài)口鈦合金——TMzFTrM(Ti一12Mo-6Zr-2Fe)，該合金從高溫(754 oC或以上)快速冷卻后，能夠保持全 組織。
通過(guò)固溶處理，這種全 組織會(huì)析出細(xì)小的α相，能夠進(jìn)一步提高TMZFTM鈦合金的強(qiáng)度。TMZFTM鈦合金的強(qiáng)度高、彈性模量低、耐蝕性能及耐磨損性能優(yōu)良，很適合制作矯形類醫(yī)療器件，且已經(jīng)投入臨床使用 。
日本研究人員參照d電子合金的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出由Ta、Nb、Zr、Sn和Mo等無(wú)毒合金元素組成的新型 鈦合金 。這類鈦合金具有較高強(qiáng)度和較低彈性模量，主要為T(mén)i.Nb—Ta.Mo、Ti—Nb.Ta.Sn和Ti.Nb—Ta—Zr系合金，其作為人體植入物材料具有很好的應(yīng)用前景。典型代表如Ti-29Nb.13Ta-4.6Zr合金，該合金除了具有與TC4鈦合金相媲美的耐磨性和力學(xué)性能，還有較低的彈性模量。日本還成功研制了置換型植人物用 鈦合金Ti.30Zr.Mo(用于可拆卸的植入體) 17]，正在開(kāi)發(fā)的還有楊氏模量自調(diào)整型 鈦合金Ti.12Cr【18 J、置換型植入物用楊氏模量自調(diào)整型 鈦合金Ti.30Zr-(Cr，Mo) 19]。在移植手術(shù)過(guò)程中，楊氏模量自調(diào)整型鈦合金可通過(guò)變形產(chǎn)生相變來(lái)阻止回彈。近幾年來(lái)，為了降成本，日本又開(kāi)發(fā)了多種低成本醫(yī)用鈦合金，主要有Ti—Fe.Nb.Zr、Ti—Mn、Ti.Cr-Al、Ti.C卜sn.zr、Ti.sn.cr等系列。
俄羅斯研發(fā)了一種彈性模量?jī)H為47 GPa的醫(yī)用鈦合金，即Ti一51Zr.18Nb(at.％)，其可逆變形量為2.83％ 。該合金具有如此低的彈性模量，是由于Ti的原子半徑比zr小，當(dāng)Nb元素添加到Ti.Zr二元合金中時(shí)，合金的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生了特殊變化，從而形成機(jī)械不穩(wěn)定盧相(在變形過(guò)程中會(huì)發(fā)生 相變) 。
1.2.2 國(guó)內(nèi)新型醫(yī)用 鈦合金的研究
我國(guó)自“十五”期間開(kāi)始進(jìn)行新型醫(yī)用 鈦合金的研究。2005年，西北有色金屬研究院開(kāi)發(fā)出兩類近 型醫(yī)用鈦合金——TLE(名義成分Ti一(3～6)Zr一(2—4)Mo-(24～27)Nb)和TLM(名義成分Ti.(1.5～ 4.5)Zr一(0.5—5.5)Sn·(1.5～4.4)Mo-(23.5～26.5)Nb)。這兩種合金不僅有著較高的強(qiáng)度和良好的韌性，而且加工成形性能良好。中科院金屬研究所經(jīng)過(guò)多年研究，研制出一種具有高強(qiáng)度、低彈性模量、超彈性和阻尼性能的多功能柔韌鈦合金——Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金(Ti-2448) 。2008年以來(lái)，以Ti一24Nb-4Zr一7.9Sn合金加工的多種醫(yī)用植入器件陸續(xù)通過(guò)了國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理局的檢驗(yàn)，并進(jìn)入批量應(yīng)用階段。華南理工大學(xué) 。 采用粉末冶金法得到了一種高強(qiáng)度低彈性模量的醫(yī)用鈦合金——(Ti69.7Nb23 7Zr4.9Ta1 7)94Fe6，其壓縮屈服強(qiáng)度為2 425 MPa，斷裂強(qiáng)度為2 650 MPa，平均彈性模量?jī)H為52 GPa，且耐磨性優(yōu)于常用的醫(yī)用鈦合金Ti-l5Al4V和Ti一13Nb～13Zr。河北工業(yè)大學(xué)研制的新型鈦合金Ti.30Nb.8Zr.2Mo，硬度和彈性模量均達(dá)到種植體材料的性能要求 J。北京科技大學(xué)宋西平教授等 研究了鈦合金相結(jié)構(gòu)變化對(duì)鈦合金彈性模量的影響規(guī)律，據(jù)此設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出了一種彈性模量?jī)H為38.8 GPa的低模量醫(yī)用鈦合金，其彈性模量低于國(guó)內(nèi)外已報(bào)道的同類材料。該研究為開(kāi)發(fā)醫(yī)用低彈性模量鈦合金積累了大量數(shù)據(jù)，提供了新的思路與方向。
表1是世界各國(guó)開(kāi)發(fā)的典型醫(yī)用J8鈦合金性能
對(duì)比 。從表1可以看出，第三代醫(yī)用鈦合金彈性模量均較低，美國(guó)的Ti一35Nb-5Ta一7Zr合金和我國(guó)的Ti-2448合金的彈性模量甚至達(dá)到了50 GPa級(jí)別，與人體骨骼的彈性模量接近。
2、鈦合金在臨床治療中的應(yīng)用
醫(yī)用鈦合金主要用于生產(chǎn)和制造外科植入物和矯形器械產(chǎn)品，如牙種植體、人工關(guān)節(jié)和血管支架等。按照矯形器械與外科植入產(chǎn)品專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，醫(yī)用鈦材被歸入“外科植入物用材料”中的“金屬材料”一類。以下按我國(guó)外科植入物和矯形器械分類目錄中所涉及的鈦及鈦合金產(chǎn)品類型(見(jiàn)表2)介紹其在臨床治療中的應(yīng)用。
2.1 骨與關(guān)節(jié)替代物
鈦及鈦合金密度較小，彈性模量低，可以避免局部骨吸收現(xiàn)象的產(chǎn)生，因而是十分優(yōu)良的人工骨、關(guān)節(jié)等硬組織替換材料。人工髖關(guān)節(jié)假體的髖臼杯和骰骨柄通常用鈦及鈦合金來(lái)制造，見(jiàn)圖1 。髖臼固定后，關(guān)節(jié)頭可以在髖臼杯里自由活動(dòng)。人工膝關(guān)節(jié)也常采用鈦及鈦合金制備，由脛骨部件、股骨部件和髕骨部件三部分組成。
骨與關(guān)節(jié)替代物在人體內(nèi)會(huì)受到人體的扭轉(zhuǎn)、彎曲、擠壓、肌肉收縮力等作用，因此對(duì)植人物的強(qiáng)度和韌性要求很高。在人體受力小的部位可以用純鈦，在人體受力大的部位可以用TC4鈦合金。1985年，瑞士Sulzer公司采用Ti-6A1-7Nb合金制造人工髖關(guān)節(jié)柄并得到應(yīng)用。2000年，該公司的人工髖關(guān)節(jié)柄進(jìn)入中國(guó)，每年的銷售量達(dá)到幾萬(wàn)套。目前我國(guó)人工關(guān)節(jié)加工所需的優(yōu)質(zhì)鈦材仍依賴進(jìn)口，而國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的醫(yī)用鈦材主要用來(lái)滿足國(guó)內(nèi)中低端醫(yī)用產(chǎn)品如接骨螺釘和接骨板等使用 。2010年我國(guó)生產(chǎn)銷售的醫(yī)用純鈦及Ti-l5Al4V合金材料已達(dá)到1 084 t，其中出口約占20％ 。我國(guó)每年生產(chǎn)醫(yī)用Ti-6A1-TNb合金材料上百噸，但幾乎全部出口國(guó)外，國(guó)內(nèi)尚無(wú)實(shí)際應(yīng)用。
2.2 牙科植入物
鈦及鈦合金被廣泛用作牙齒修復(fù)材料，其優(yōu)點(diǎn)主要有：①鈦在酸性和堿性環(huán)境下溶化量少，沒(méi)有銀合金存在的腐蝕、變色問(wèn)題；②對(duì)人體有很好的安全性，不會(huì)出現(xiàn)鎳合金引起的超敏反應(yīng)；③純鈦的密度僅為4.50 g／cm ，與自然牙齒的密度接近，制作的牙床重量輕，鑲牙裝著感好；④純鈦的熱傳導(dǎo)率低，對(duì)牙髓無(wú)刺激性；⑤ 與傳統(tǒng)的牙床材料相比，具有咀嚼時(shí)不改變食物味道的特性。因此，鈦及鈦合金是迄今為止臨床應(yīng)用效果最佳的牙科材料。
表3列出了鈦及鈦合金在牙科中的主要用途。可以看出，純鈦和TC4鈦合金是牙科領(lǐng)域使用的主要材料。
瑞典開(kāi)發(fā)的Ti-6A1-TNb合金 以及日本開(kāi)發(fā)的Ti-29Nb一13Ta-4.6Zr合金 對(duì)于牙科應(yīng)用也具有很強(qiáng)的吸引力。牙科領(lǐng)域所用鈦材通常采用精密鑄造成形，因此具有較高的強(qiáng)度，但延伸率較低。為此，研究者們進(jìn)行了大量提高其延伸率的研究，主要方法有熱處理(如 固溶處理、 固溶處理等)、破碎O／相結(jié)構(gòu)以及熱塑性變形及后熱處理等。
2.3 顱骨修復(fù)植入物
開(kāi)顱手術(shù)通常會(huì)造成顱骨缺損，目前臨床上通常用鈦網(wǎng)修復(fù)缺損的顱骨。進(jìn)行修復(fù)時(shí)，為了使修補(bǔ)體與患者原顱骨較好地嵌合，在術(shù)前或術(shù)中醫(yī)生需根據(jù)患者缺損部位的大小和形狀，在鈦網(wǎng)上剪很多豁口，并在患者頭上比較后反復(fù)修型、剪縫，直到符合患者缺損部位的要求。這樣不僅會(huì)增加鈦釘?shù)氖褂昧浚档外伨W(wǎng)的強(qiáng)度，而且增加了手術(shù)時(shí)間。
近年來(lái)，人們開(kāi)發(fā)出一種CT三維重建軟件系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可得到患者顱骨缺損部位的CT三維數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)字化鈦網(wǎng)成形機(jī)制備出與患者顱骨缺損部位完全一致的鈦網(wǎng)修復(fù)體(如圖2) ¨。臨床應(yīng)用表明，采用這種技術(shù)不僅大大提高了手術(shù)精度，縮短了手術(shù)時(shí)間和鈦釘使用量，降低了手術(shù)復(fù)雜度，而且減少了術(shù)后并發(fā)癥，提高了患者的生活質(zhì)量 。
2.4 心血管修復(fù)材料
鈦及鈦合金在人體心血管方面應(yīng)用的實(shí)例有人造心臟瓣膜、血液過(guò)濾器、心臟起搏器和人工心臟泵等。其優(yōu)點(diǎn)主要有：① 強(qiáng)度高，化學(xué)穩(wěn)定性好，生物相容性優(yōu)良；②鈦具有無(wú)磁性，在磁共振圖譜MRI中很少產(chǎn)生假象；③NiTi記憶合金具有的彈性能力和形狀恢復(fù)功能非常適合于醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用。
NiTi合金在低溫(零度附近)時(shí)呈馬氏體態(tài)，很容易變成易于導(dǎo)人人體內(nèi)的形狀，當(dāng)溫度升高到體溫時(shí)，會(huì)產(chǎn)生逆相變，從而恢復(fù)到原來(lái)設(shè)定的形狀，并產(chǎn)生較大的回復(fù)力起到矯形及支撐作用。近些年，Ni.Ti形狀記憶合金在血管支架上的應(yīng)用備受關(guān)注。然而，NiTi合金在生理?xiàng)l件下可能溶出Ni離子，從而誘發(fā)毒性和炎性反應(yīng)。為此，研究人員對(duì)該合金進(jìn)行了大量表面改性研究，主要方法有表面惰性涂層化、表面氧化、表面活性化和表面接枝大分子等 ，雖然立足點(diǎn)各不相同，但均可以有效抑制Ni離子的
溶出，改善NiTi合金的抗腐蝕性和生物相容性。
據(jù)有關(guān)資料 ，我國(guó)成人風(fēng)濕性心臟病的發(fā)病率為2.34％ ～2.72％ ，按總?cè)丝谕扑愠赡觑L(fēng)濕性心臟病患者約190萬(wàn)人。因瓣膜病變嚴(yán)重需要實(shí)施人造心臟瓣膜置換手術(shù)的病人約25萬(wàn)例，而實(shí)際人工心臟瓣膜用量只有2.5萬(wàn)支，國(guó)產(chǎn)率在30％ 左右；起搏器的年需求量在40萬(wàn)臺(tái)左右，實(shí)用量為2萬(wàn)臺(tái)，國(guó)產(chǎn)率僅為1％ ，而冠脈支架產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)率較高，達(dá)到了50％ 左右。
2.5 其他應(yīng)用
除以上應(yīng)用外，鈦及鈦合金還是優(yōu)良的人體骨接合材料和脊柱植入物材料。典型的骨接合材料包括骨螺釘、接骨板、上頜面植人體等。骨螺釘可以單獨(dú)用來(lái)固定斷骨，也可以與接骨板或其他器件一起來(lái)固定斷骨。經(jīng)過(guò)噴砂、等離子噴涂、蝕刻等處理的鈦及鈦合金能夠促進(jìn)表面類骨磷灰石的形成，可以提高骨結(jié)合強(qiáng)度，縮短骨愈合過(guò)程。同其他金屬材料(不銹鋼、鈷鉻鉬合金等)相比較，使用鈦及鈦合金的優(yōu)勢(shì)主要：有4點(diǎn)：① 密度小，比強(qiáng)度高，可大幅度減輕患者的負(fù)荷；② 彈性模量低，與人體骨骼更匹配；③ 無(wú)毒性，作為植入物對(duì)人體無(wú)毒副作用；④生物相容性好，只進(jìn)行一次手術(shù)即可，骨折愈合后不用二次手術(shù)去除。
據(jù)報(bào)道 ，我國(guó)每年大概有300萬(wàn)人次做骨折手術(shù)，其中，接骨板需求量為200萬(wàn)套左右，人工關(guān)節(jié)約25萬(wàn)個(gè)，脊柱裝置約40萬(wàn)個(gè)，市場(chǎng)規(guī)模約120億元。中國(guó)已經(jīng)成為世界上臨床手術(shù)量?jī)H次于美國(guó)的第二大國(guó)家。隨著我國(guó)人口老齡化的到來(lái)，未來(lái)10～15年骨科產(chǎn)業(yè)年均復(fù)合增長(zhǎng)率約為15％ 一20％。盡管我國(guó)目前已實(shí)現(xiàn)鈦制骨螺釘、接骨板等常規(guī)產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化，但由于質(zhì)量等問(wèn)題仍需大量進(jìn)口。
3、結(jié) 語(yǔ)
醫(yī)用鈦合金材料以其優(yōu)良的性能，在醫(yī)療領(lǐng)域的用量不斷增加。尤其是近些年，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、人口老齡化問(wèn)題和醫(yī)藥衛(wèi)生體制的改革，醫(yī)療器械產(chǎn)品存在巨大的潛在市場(chǎng)。但與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)醫(yī)用鈦合金材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究還存在著一定差距，整體水平不高，跟蹤研究多，創(chuàng)新應(yīng)用少，相關(guān)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，缺乏精細(xì)和深加工產(chǎn)品。為促進(jìn)我國(guó)醫(yī)用鈦合金的發(fā)展，提出以下意見(jiàn)：①開(kāi)發(fā)新型 鈦合金，優(yōu)化合金元素，避免加入有毒元素和高熔點(diǎn)元素；②加強(qiáng)醫(yī)用鈦合金的表面改性研究，包括提高生物活性、耐磨損性及耐腐蝕性等方面的研究；③開(kāi)發(fā)低成本的生物醫(yī)用口鈦合金，使普通人群也能夠用得起鈦合金植入件；④加快醫(yī)用鈦合金植入件的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，擴(kuò)大醫(yī)用鈦合金的應(yīng)用；⑤加快新型醫(yī)用鈦合金標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)展。
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