新型生物医用功能材料---钛及钛合金

l***n

崛起的新型生物医用功能

材料——钛及钛合金

1.      概述进展
    生物医用金属材料，作为人体内植入制品已有400余年，英国较早的采用了纯金板修补颅骨及镶牙，其后陆续采用了银、铜、铁片、铁丝及铁基合金等金属固定骨折稳定关节。1930年以后，英国、美国采用了钴基合金，第二次世界大战期间，随着临床治疗的需求扩大，英国、美国和日本等国家采用了大量的不锈钢人体植入件。随着稀有金属工业的发展，加工态和铸钛的铌、锆、钛开始用于临床治疗。进入九十年代，仅美国每年采用的金属人体植入件就达200万件以上，其中髓关节、股骨件达5万件以上。九十年代中期，钛工业迅速发展，为医疗外科临床需求提供了更多高质量的钛及钛合金制品，医学界的研究证明，钛及钛合金具有优异的生物相容性，大量临床应用实例证明，钛及钛合金作为人体植入件的效果是最好的，所以，治疗范围扩大，用量显著增加。据报导，近10年来，生物医用金属材料市场的增长率保持在20-25%，这促进了医用金属材料及其制品产业化发展。目前，世界上每年有超过1000吨的钛及钛合金制品被植入人体内，其中约占80%是Ti-6AI-4V合金。世界各国的相关研究和大量的临床治疗实例，从深度和广度上认可钛及钛合金是迄今为止最理想的人体植入物金属材料，被当今医疗外科也列为继不锈钢、钴基合金之后崛起的第三代金属。

    中国采用金属材料用于外科植入物的工作起步晚。上海第一医学院华山医院于1958年用牙托粉和不锈钢髓内钉制成的人造股骨头，在风湿样髋关节强直的病人中使用，1959-1960年采用了镍铬不锈钢制成的人造骨头治疗陈旧性股骨颈骨折和股骨头坏死的病人，在临床治疗中发现用牙托粉和不锈钢髓内钉在结合处有折断迹象。1972年起，开始采用了国产钛及钛合金人造骨与关节用于临床治疗病人。随着中国钛工业的发展，为医疗界提供了高质量和多品种的钛及钛合金制品，北京积水潭医院、上海第六人民医院、天津医院、中国人民[根据相关法规进行屏蔽]总医院、西安第二军医大附属医院、沈阳骨科医院等二十多家医院从1972年起，先后采用钛及钛合金人造骨与关节用于临床治疗应用和研究，制造的髋关节（包括股骨头）、肘关节、肱骨头、膝关节、掌指关节、指间关节、人造椎体和下颌骨等用于临床治疗病人，经过三年多的跟踪观察认为效果满意，指出在人体承受力小的地方换接骨可以使用纯钛，在人体下肢因为负重大，关节活动量大，采用Ti-6AI-4V合金是最理想的。同时，华山医院与上海冶金研究所的模拟人体体液的浸泡试验，电化学阳极化试验和腐蚀动力学曲线的测定，证明了钛及钛合金人造骨与关节用于人体具有优异的耐腐蚀性，生物学反应也很小，是一种理想的医用金属材料。复旦大学生物系人类生理学教研组与上海第六人民医院对植入人体骨与关节进行了力学性能测定，认为钛及钛合金的强度满足了人体植入物的要求。
以上工作为大批量采用国产钛及钛合金人造骨与关节等用于医疗外科人体植入物打下了坚实基础。

2.      简介生产
2.1   概况
钛及钛合金的生产，其冶炼与加工具有工艺流程长、设备多、工艺复杂、技术难度大、产品批量小、品种规格多、质量要求高和成本高于一般常用金属材料等特点，加工材产品大类品种有锻件、异型锻件、饼、环、棒、管、板、带、箔、丝等。
生物医用钛及钛合金加工材的专业化生产设计实施的生产工艺流程一般如下图示：

坯料 → 坯料加热 → 变形加工 → 热处理 → 精整 → 检验 → 成品***↑        ↑          ↑         ↑       ↑      ↑    钛锭     重油炉    锻造（包括旋锻）  退火   矫直      坯料检验棒坯     电阻炉    轧制                 机械加工  中间工序产品检验                   拔制                 表面检查  成品检验                                                     ↓                                                 不合格产品处理

2.2     标准
    为了保障人体植入物用钛及钛合金材料的质量，确保患者人身的健康，在研究大量临床应用的基础上，国外建立了一系列外科植入物用钛及钛合金加工材的标准，九十年代初，美国、英国的标准经过完善和修订，纳入了国际标准化组织（ISO）《外科植入物—金属材料—纯钛材加工》和《外科植入物—金属材料—Ti-6AI-4V合金加工材》。
    中国在这方面的工作起步较晚，1989年，由宝鸡有色金属加工厂负责，上海手术器械六厂和天津医疗器械检测中心为协作单位，在广泛收集国外标准的基础上，编制了中国第一个标准《外科植入物用TC4钛合金加工材》，于1990年11月通过专家审核，正式实施标准号为GB/T13810-1992，经过完善和修订，成为现在实施的标准《外科植入物用钛及钛合金加工材》，标准号为GB/T13810-1997，其技术内容上等效美国ASTM、英国BS和ISO的相关标准，规定的检测项目有钛及钛合金的化学成分、力学性能、工艺性能、尺寸偏差、纤维组织和质量保证等基本一致。目前中国一般按以下标准组织生产（见表1）
表1  中华人民共和国国家标准

标准名称	标准号
钛及钛合金牌号和化学成分及成份允许偏差	GB/T3620.  1~3620.  2-94
钛及钛合金棒材	GB/T2965-1996
出口用6AI-4V钛合金棒材	N/BS5302-2002（对应AMS4928Q）
出口用6AI-4V ELI钛合金棒材	N/BS5308-2002（对应ASTM  F136-96）
外科植入物用钛及钛合金加工材	GB/T13810-1997（等效ISO5832-2：1993）

2.3     产品
以外科植入物用钛及钛合金加工材为例（见表2）
表2  外科植入物用钛及钛合金加工材

牌号	品种	状态	规格（mm）
TA1、TA2、TA3、TC4	板 棒	热轧（R）、退火（M） 冷轧（Y）、退火（M） 热加工（R）、退火（M）	厚4.1-10.0 厚0.8-4.0 直径φ8-75
TA1	丝	退火（M）	直径0.6-6.0

3.      医疗应用

    金属材料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。在生物系统中，金属材料受到与其接触的液体，有机分子、酶、自由基、细胞等影响，发生了腐蚀而造成金属离子向周围扩散导致毒副作用；金属材料自身的降解产物也会改变与邻近液体的PH值和组成，并使自身性质蜕变而导致植入失效，这成为医用金属材料要解决的主要问题。一般金属材料力学性能优良、易加工，但其化学成分组成与人体组织成分相距甚远，很难与生物组织亲合。目前，广泛应用的金属材料主要有：

3.1   医用不锈钢属于铁基合金钢，常见的有奥氏体不锈钢，如：AISI316、AISI317，在临床应用中由于碳含量的影响导致发生晶间腐蚀，其后开发出超低碳不锈钢，如AISI316L 、AISI317L，仍然没有解决在生理环境中的抗腐蚀性能问题，作为人体植入物的稳定性不理想。

3.2   医用钴基合金，在生理环境中以其优异的耐腐蚀性能、良好的综合力学性能和生物相容性被临床应用，但是一直担心引起过敏反应问题没有解决。

3.3   医用钛及钛合金，在医疗领域中已经成为首选的优质金属材料，广泛应用的主要原因：

3.3.1    质轻

钛及钛合金的密度，20℃时为4.5克/厘米3，仅为不锈钢的56%，植入人体内大幅度减轻了人体的负荷量，作为医疗器械也减轻了医务人员操作负荷。

3.3.2    弹性模量低

钛及钛合金的弹性模量低，纯钛为10850公斤力/毫米2，仅为不锈钢的53%，植入人体内与人体自然骨更接近，有利于接骨，能够减少骨头对植入物的应力屏蔽效应，因此钛合金肘关节，踝关节在人体矫形手术中广泛应用，据报导，每年世界上大约有1亿病人由于臂关节、膝关节炎症而进行替换治疗。钛合金假肢在各国也得到推广应用。

3.3.3    无磁性

钛及钛合金是无磁性金属，不受电磁场影响，不受雷电影响，这有利于植入物后人体的安全。

3.3.4    无毒性

钛及钛合金的无毒性，作为植入物对人体无毒副作用。

3.3.5    抗腐蚀性

钛及钛合金被称为是生物惰性金属材料，对人体血液的浸泡环境中具有优异的耐腐蚀性能，保证了与人体血液及细胞组织的相容性好，这是钛及钛合金应用的基础条件，作为植入物不产生人体污染，不会发生过敏反应；在面部治疗，介入性治疗和循环系统医疗器械中，纯钛网作为骨头托架，已用颚骨再造术；钛合金制的血管支架更适合人体要求；心律调节器和除颤器用钛的效果良好。

3.3.6    强度高、韧性好

因外伤、肿瘤等因素导致骨、关节损害，为建立稳固的骨支架，必须借助弧型板、螺丝钉、人造骨及关节等，这些植入物要长期留置于人体内，会受到人体的弯曲、扭转、挤压、肌肉收缩力等作用，要求植入物具有高的强度和韧性，研究与临床实例证明，在人体受力小的部位可以用纯钛，在人体受力大的部位可以用Ti-6AI-4V ELI合金，其室温抗拉强度TA2不小于440Mpa，TC4不小于895 Mpa，完全可以满足人体植入物的要求。

钛及钛合金具有优异的使用特性，被世界公认是医疗领域中优异的金属材料，同使用不锈钢、钴基合金等金属材料相比较，具有较大的应用优势，发展空间很大，依据对采用钛及钛合金制造人体植入物厂家的调查，在表3列出了钛及钛合金材料制造的外科植入物名称。

表3  钛及钛合金用于外科植入物名称

牌号	植入物
纯钛	锻  件	接骨板	参与制造
TC4钛合金	钛合金矩形截面关节柄 钛合金带台面关节柄 钛合金无领带血槽关节柄 钛合金有领关节柄 钛合金无领光面关节柄 钛合金有领带血槽关节柄 钛合金齿面关节柄 钛合金95°套筒板 钛合金135°套筒板	锁骨重建型、肱骨颈型、三叶型、T型、L型、肱骨远端型、肱骨近端型、胫骨平台外侧型、胫骨远端内侧型、胫骨远端外侧型、锁骨钩型、偏T斜T型、鹰嘴窝型、骨盆重建型、鹅头型95°、鹅头型135°、跟骨型、各种指（趾）掌骨型	各种心瓣膜、肾瓣膜、卢骨、血管扩张器、人工气管、人工关节、人工皮肤、心脏起搏器、人工器官、各种螺钉等及其辅助器械、装置。

4.      结论
钛及钛合金是生物系统直接结合的最理想的金属材料，用于治疗或替换肌体中的组织器官或增进其功能，同其它金属材料相比具有很大的优势。随着经济和医疗事业的发展，人民生活水平的提高，以及战争等因素，需要进行肌体矫正，整容手术的人越来越多，钛及钛合金在医学领域中具有广阔的应用前景。

z****8

肽合金医疗材料是当前医疗领域优异材料，也是今后发展的方向，从上面厂家提供的产品目录上看，本人认为有些值入材料从力学性能和韧性耐磨性可以替代白钢材料及其他材料，临床上可以使用和推广，有些值入材料篇篇一律用肽合金材料是对肽合金使用性的扩大化，资源上的浪费，患者经济上的浪费，目前各厂家生产的肽合金植入材料从价格上比较昂贵，有一些钢板可用一般白钢材料就可以达到患者的治疗目的，却偏用肽合金材料去用在患者的身上，有些骨折在钢板固定下3-4个月就可以取出，已能达到患者的治疗效果和目的了，确要花昂贵的费用植入一块肽金钢板，3-4个月就取出扔掉了，增加了患者的费用，浪费了资源，一举两不得，本人认为在使用植入材料上一定要考虑患者的治疗效果和经济负担。厂家不能光考虑利润，医生不能靠吃回扣却丧了良心，一定得从实际出发去使用钛合金植入材料。