引 言

金屬材料用于人體修復已有數百年的歷史，早在18世紀后期，Fe、Au、Ag、Pt等金屬就已經用于人體斷骨固定? 。與高分子材料、陶瓷材料等其他材料相比，金屬材料作為醫用材料具有強度高、韌性良好及加工性能好等特點，在整個生物材料市場所占份額達到40％左右 。目前，醫用金屬材料主要包括醫用鈦材、不銹鋼材料和鈷基合金這幾大類。然而在人體環境內，不銹鋼和鈷基合金會溶出Ni、cr和c0等元素，對人體產生毒副作用 。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，遠高于人體骨骼的彈性模量(約2O～30 GPa)，容易產生“應力屏蔽”而導致種植體周圍出現骨吸收，最終導致種植體松動或斷裂。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良的生物相容性，因而在臨床治療中的應用越來越廣泛。

1、醫用鈦合金的發展歷史和研究現狀

1.1 發展歷史

20世紀60年代，純鈦作為人體植入物開始應用于臨床。雖然純鈦材料在生理環境中有著優良的抗蝕性，但其強度低，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 J。隨后應用于航空航天領域的TC4鈦合金被引進到醫學領域，解決了純鈦材料強度不能滿足要求的問題， 同時Ti一3A1-2.5V合金也開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80年代中期，臨床應用中發現TC4鈦合金人工髖關節周圍的骨組織出現了黑化和感染現象，隨后人們對此進行研究，證實TC4鈦合金中所含的V元素會對生物體產生毒副作用，且生物毒性超過了Ni和cr 。到20世紀90年代中期，德國和瑞士先后研制出第二代醫用鈦合金——無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題，植入體容易松動或失效，而且這類合金還含有對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度和耐磨損性較高，因此，第三代醫用鈦合金——不含Al、V的低彈性模量 鈦合金成為主要研發方向。

1.2 新型醫用 鈦合金的研發現狀

1.2.1 國外新型醫用／3鈦舍金的研究

為了滿足醫療領域對低彈性模量鈦合金材料的要求，研究人員進行了大量無毒、無過敏性的新型口鈦合金的研發工作，并已成功開發出了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、人工髖關節、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，對于減少“應力屏蔽”的發生，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。

美國開發了多種低彈性模量的／3鈦合金。Ti.13Nb一13Zr合金是美國于1994年研制的一種醫用鈦合金，并且是第一個被正式列入國際標準的低彈性模量醫用鈦合金 。TIMETAL 21SRx鈦合金名義成分為Ti.15Mo.3Nb-0.2Si，是20世紀80年代美國為航天飛機用金屬基復合材料而開發的，隨后也作為人體植入材料應用于醫療領域。為了保持該合金中／3相的穩定性，其氧含量(約0.3％ ，質量分數)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)是美國為制造人工髖關節而開發的兩種 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力緩沖和傳遞。美國還研制了一種亞穩態口鈦合金——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。

通過固溶處理，這種全 組織會析出細小的α相，能夠進一步提高TMZFTM鈦合金的強度。TMZFTM鈦合金的強度高、彈性模量低、耐蝕性能及耐磨損性能優良，很適合制作矯形類醫療器件，且已經投入臨床使用 。

日本研究人員參照d電子合金的設計方法，設計出由Ta、Nb、Zr、Sn和Mo等無毒合金元素組成的新型 鈦合金 。這類鈦合金具有較高強度和較低彈性模量，主要為Ti.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]，正在開發的還有楊氏模量自調整型 鈦合金Ti.12Cr【18 J、置換型植入物用楊氏模量自調整型 鈦合金Ti.30Zr-(Cr，Mo) 19]。在移植手術過程中，楊氏模量自調整型鈦合金可通過變形產生相變來阻止回彈。近幾年來，為了降成本，日本又開發了多種低成本醫用鈦合金，主要有Ti—Fe.Nb.Zr、Ti—Mn、Ti.Cr-Al、Ti.C卜sn.zr、Ti.sn.cr等系列。

俄羅斯研發了一種彈性模量僅為47 GPa的醫用鈦合金，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Nb元素添加到Ti.Zr二元合金中時，合金的電子結構發生了特殊變化，從而形成機械不穩定盧相(在變形過程中會發生 相變) 。

1.2.2 國內新型醫用 鈦合金的研究

我國自“十五”期間開始進行新型醫用 鈦合金的研究。2005年，西北有色金屬研究院開發出兩類近 型醫用鈦合金——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過多年研究，研制出一種具有高強度、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，以Ti一24Nb-4Zr一7.9Sn合金加工的多種醫用植入器件陸續通過了國家食品藥品監督管理局的檢驗，并進入批量應用階段。華南理工大學 。 采用粉末冶金法得到了一種高強度低彈性模量的醫用鈦合金——(Ti69.7Nb23 7Zr4.9Ta1 7)94Fe6，其壓縮屈服強度為2 425 MPa，斷裂強度為2 650 MPa，平均彈性模量僅為52 GPa，且耐磨性優于常用的醫用鈦合金Ti-l5Al4V和Ti一13Nb～13Zr。河北工業大學研制的新型鈦合金Ti.30Nb.8Zr.2Mo，硬度和彈性模量均達到種植體材料的性能要求 J。北京科技大學宋西平教授等 研究了鈦合金相結構變化對鈦合金彈性模量的影響規律，據此設計開發出了一種彈性模量僅為38.8 GPa的低模量醫用鈦合金，其彈性模量低于國內外已報道的同類材料。該研究為開發醫用低彈性模量鈦合金積累了大量數據，提供了新的思路與方向。

表1是世界各國開發的典型醫用J8鈦合金性能

對比 。從表1可以看出，第三代醫用鈦合金彈性模量均較低，美國的Ti一35Nb-5Ta一7Zr合金和我國的Ti-2448合金的彈性模量甚至達到了50 GPa級別，與人體骨骼的彈性模量接近。

2、鈦合金在臨床治療中的應用

醫用鈦合金主要用于生產和制造外科植入物和矯形器械產品，如牙種植體、人工關節和血管支架等。按照矯形器械與外科植入產品專業標準，醫用鈦材被歸入“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品類型(見表2)介紹其在臨床治療中的應用。

2.1 骨與關節替代物

鈦及鈦合金密度較小，彈性模量低，可以避免局部骨吸收現象的產生，因而是十分優良的人工骨、關節等硬組織替換材料。人工髖關節假體的髖臼杯和骰骨柄通常用鈦及鈦合金來制造，見圖1 。髖臼固定后，關節頭可以在髖臼杯里自由活動。人工膝關節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。

骨與關節替代物在人體內會受到人體的扭轉、彎曲、擠壓、肌肉收縮力等作用，因此對植人物的強度和韌性要求很高。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合金制造人工髖關節柄并得到應用。2000年，該公司的人工髖關節柄進入中國，每年的銷售量達到幾萬套。目前我國人工關節加工所需的優質鈦材仍依賴進口，而國內生產的醫用鈦材主要用來滿足國內中低端醫用產品如接骨螺釘和接骨板等使用 。2010年我國生產銷售的醫用純鈦及Ti-l5Al4V合金材料已達到1 084 t，其中出口約占20％ 。我國每年生產醫用Ti-6A1-TNb合金材料上百噸，但幾乎全部出口國外，國內尚無實際應用。

2.2 牙科植入物

鈦及鈦合金被廣泛用作牙齒修復材料，其優點主要有：①鈦在酸性和堿性環境下溶化量少，沒有銀合金存在的腐蝕、變色問題；②對人體有很好的安全性，不會出現鎳合金引起的超敏反應；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純鈦的熱傳導率低，對牙髓無刺激性；⑤ 與傳統的牙床材料相比，具有咀嚼時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?？梢钥闯?，純鈦和TC4鈦合金是牙科領域使用的主要材料。

瑞典開發的Ti-6A1-TNb合金 以及日本開發的Ti-29Nb一13Ta-4.6Zr合金 對于牙科應用也具有很強的吸引力。牙科領域所用鈦材通常采用精密鑄造成形，因此具有較高的強度，但延伸率較低。為此，研究者們進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／相結構以及熱塑性變形及后熱處理等。

2.3 顱骨修復植入物

開顱手術通常會造成顱骨缺損，目前臨床上通常用鈦網修復缺損的顱骨。進行修復時，為了使修補體與患者原顱骨較好地嵌合，在術前或術中醫生需根據患者缺損部位的大小和形狀，在鈦網上剪很多豁口，并在患者頭上比較后反復修型、剪縫，直到符合患者缺損部位的要求。這樣不僅會增加鈦釘的使用量，降低鈦網的強度，而且增加了手術時間。

近年來，人們開發出一種CT三維重建軟件系統，利用該系統可得到患者顱骨缺損部位的CT三維數據，并通過數字化鈦網成形機制備出與患者顱骨缺損部位完全一致的鈦網修復體(如圖2) ¨。臨床應用表明，采用這種技術不僅大大提高了手術精度，縮短了手術時間和鈦釘使用量，降低了手術復雜度，而且減少了術后并發癥，提高了患者的生活質量 。

2.4 心血管修復材料

鈦及鈦合金在人體心血管方面應用的實例有人造心臟瓣膜、血液過濾器、心臟起搏器和人工心臟泵等。其優點主要有：① 強度高，化學穩定性好，生物相容性優良；②鈦具有無磁性，在磁共振圖譜MRI中很少產生假象；③NiTi記憶合金具有的彈性能力和形狀恢復功能非常適合于醫學方面的應用。

NiTi合金在低溫(零度附近)時呈馬氏體態，很容易變成易于導人人體內的形狀，當溫度升高到體溫時，會產生逆相變，從而恢復到原來設定的形狀，并產生較大的回復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用備受關注。然而，NiTi合金在生理條件下可能溶出Ni離子，從而誘發毒性和炎性反應。為此，研究人員對該合金進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。

據有關資料 ，我國成人風濕性心臟病的發病率為2.34％ ～2.72％ ，按總人口推算成年風濕性心臟病患者約190萬人。因瓣膜病變嚴重需要實施人造心臟瓣膜置換手術的病人約25萬例，而實際人工心臟瓣膜用量只有2.5萬支，國產率在30％ 左右；起搏器的年需求量在40萬臺左右，實用量為2萬臺，國產率僅為1％ ，而冠脈支架產品的國產率較高，達到了50％ 左右。

2.5 其他應用

除以上應用外，鈦及鈦合金還是優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。骨螺釘可以單獨用來固定斷骨，也可以與接骨板或其他器件一起來固定斷骨。經過噴砂、等離子噴涂、蝕刻等處理的鈦及鈦合金能夠促進表面類骨磷灰石的形成，可以提高骨結合強度，縮短骨愈合過程。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勢主要：有4點：① 密度小，比強度高，可大幅度減輕患者的負荷；② 彈性模量低，與人體骨骼更匹配；③ 無毒性，作為植入物對人體無毒副作用；④生物相容性好，只進行一次手術即可，骨折愈合后不用二次手術去除。

據報道 ，我國每年大概有300萬人次做骨折手術，其中，接骨板需求量為200萬套左右，人工關節約25萬個，脊柱裝置約40萬個，市場規模約120億元。中國已經成為世界上臨床手術量僅次于美國的第二大國家。隨著我國人口老齡化的到來，未來10～15年骨科產業年均復合增長率約為15％ 一20％。盡管我國目前已實現鈦制骨螺釘、接骨板等常規產品國產化，但由于質量等問題仍需大量進口。

3、結 語

醫用鈦合金材料以其優良的性能，在醫療領域的用量不斷增加。尤其是近些年，隨著我國國民經濟的高速發展、人口老齡化問題和醫藥衛生體制的改革，醫療器械產品存在巨大的潛在市場。但與國外發達國家相比，我國醫用鈦合金材料的開發與應用研究還存在著一定差距，整體水平不高，跟蹤研究多，創新應用少，相關產業基礎薄弱，缺乏精細和深加工產品。為促進我國醫用鈦合金的發展，提出以下意見：①開發新型 鈦合金，優化合金元素，避免加入有毒元素和高熔點元素；②加強醫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開發低成本的生物醫用口鈦合金，使普通人群也能夠用得起鈦合金植入件；④加快醫用鈦合金植入件的產業化發展，擴大醫用鈦合金的應用；⑤加快新型醫用鈦合金標準化工作進展。

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