生物醫(yī)用鈦合金材料及其應(yīng)用

魏芬絨，王海，金旭丹，楊曉康，崔文俊

（西安賽特思邁鈦業(yè)有限公司，陜西 西安 710299）

生物醫(yī)用鈦合金材料是專指用于生物醫(yī)學(xué)工程的一類功能結(jié)構(gòu)材料，具體指是用于外科植入物和矯形器械產(chǎn)品的生產(chǎn)和制造[1]。

鈦合金加工材的生產(chǎn)制備涉及冶金，壓力加工，復(fù)合材料和化工等領(lǐng)域，是世界上公認(rèn)的高技術(shù)產(chǎn)品。鈦及鈦合金開(kāi)始由航天、航空、國(guó)防軍工領(lǐng)域逐漸進(jìn)入到民用消費(fèi)領(lǐng)域[2]。諸如醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)中的植入物，醫(yī)療器械；體育休閑業(yè)的鈦高爾夫球桿以及鈦眼鏡架、鈦手表、鈦?zhàn)孕熊嚨犬a(chǎn)品，對(duì)鈦加工材的需求量在不斷增大。隨著生物技術(shù)的蓬勃發(fā)展和重大突破，生物醫(yī)用金屬材料及其制品產(chǎn)業(yè)將發(fā)展成為世界經(jīng)濟(jì)的一個(gè)支柱產(chǎn)業(yè)[3]。

其中，鈦及其合金憑借著質(zhì)輕，彈性模量低，無(wú)毒無(wú)磁，抗腐蝕，強(qiáng)度高、韌性好等優(yōu)良的綜合性能，于近年來(lái)的需求量也出現(xiàn)了快速穩(wěn)步的增長(zhǎng)[4]。同時(shí)，隨著鈦合金開(kāi)始進(jìn)入整形外科等領(lǐng)域，新的潛在市場(chǎng)需求出現(xiàn)，未來(lái)鈦合金市場(chǎng)將會(huì)出現(xiàn)更快速的增長(zhǎng)。

1 醫(yī)用鈦合金的研究進(jìn)展

1.1 醫(yī)用鈦合金的分類

鈦合金按材料顯微組織類型可分為：α型，α+β型和β型鈦合金3類；其典型性能如表1所示。

表1 生物醫(yī)用鈦合金的分類和典型性能[11]

1.2 醫(yī)用鈦合金的發(fā)展趨勢(shì)

經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)研[8-14]發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究學(xué)者一致認(rèn)為醫(yī)用鈦合金的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)標(biāo)志性的階段，第一階段是以純鈦和Ti-6Al-4V合金為代表的；第二階段是以Ti-5A1-2.5Fe、Ti-6A1-7Nb為代表的新型α+β型合金；第三階段是主要開(kāi)發(fā)與研制具有更好生物相容性和更低彈性模量β-鈦合金的階段。

理想的生物醫(yī)用鈦合金材料[15]必須滿足有以下條件：良好的生物相容性、彈性模量低、密度低、防腐性能好、無(wú)毒、屈服強(qiáng)度高、疲勞壽命長(zhǎng)、室溫下有較大的塑性、易成形、易鑄造等。

而目前一直廣泛應(yīng)用于植入物材料的重要合金為Ti-6A1-4V和Ti-6A1-4VELI。

有文獻(xiàn)報(bào)道[16-19]V元素可引起惡性組織反應(yīng)，可能對(duì)人體產(chǎn)生毒副作用，Al則會(huì)引起骨質(zhì)疏松和精神紊亂等病癥；為了解決此問(wèn)題，當(dāng)前生物材料學(xué)家便致力于探索與研究不含V、Al的新型生物醫(yī)用鈦合金材料，在此之前很有必要搞清楚什么樣的合金元素是適合添加的既無(wú)毒又符合生物相容性原理的。

有研究[20-23]發(fā)現(xiàn)含鉬，鈮，鉭，鋯等無(wú)毒元素的β鈦合金含有較高含量的β穩(wěn)定元素，與α+β型鈦合金相比，具有較低的彈性模量（E=55～80GPa）以及更好的剪切性能和韌性，更適于作為植入物植入人體。

2 鈦合金的應(yīng)用

2.1 鈦合金的醫(yī)用基礎(chǔ)

使用鈦及鈦合金作為人體植入物的優(yōu)勢(shì)主要有：

（1）密度(20℃)=4.5g/cm3，質(zhì)輕。植入人體內(nèi)：減輕人體負(fù)荷量，作為醫(yī)療器械：減輕醫(yī)務(wù)人員操作負(fù)荷。

（2）彈性模量低，純鈦為108 500 MPa，植入人體內(nèi)：與人體自然骨更接近，利于接骨，減少骨頭對(duì)植入物的應(yīng)力屏蔽效應(yīng)。

（3）無(wú)磁性，不受電磁場(chǎng)和雷雨天氣影響，利于使用后的人體安全。

（4）無(wú)毒性，作為植入物對(duì)人體無(wú)毒副作用。

（5）抗腐蝕性（生物惰性金屬材料），在人體血液的浸泡環(huán)境中有優(yōu)異的耐腐蝕性能，保證與人體血液及細(xì)胞組織的相容性好，作為植入物不產(chǎn)生人體污染，不會(huì)發(fā)生過(guò)敏反應(yīng)，這是鈦及鈦合金應(yīng)用的基礎(chǔ)條件。

（6）強(qiáng)度高、韌性好，因外傷、腫瘤等因素導(dǎo)致骨、關(guān)節(jié)損害，為建立穩(wěn)固的骨支架，必須借助弧型板、螺絲釘、人造骨及關(guān)節(jié)等，這些植入物要長(zhǎng)期留置于人體內(nèi)，會(huì)受到人體的彎曲、扭轉(zhuǎn)、擠壓、肌肉收縮力等作用，要求植入物具有高的強(qiáng)度和韌性。

2.2 鈦合金的醫(yī)用領(lǐng)域及骨科領(lǐng)域市場(chǎng)情況

隨著鈦合金的開(kāi)發(fā)研制、鈦材品種的增多及價(jià)格的降低，鈦在民用工業(yè)中的應(yīng)用成倍增加。CFDA將醫(yī)療器械按照其安全性由高至低分為三個(gè)等級(jí)，并分別由三級(jí)政府進(jìn)行監(jiān)督管理，鈦及鈦合金材料的植入物屬于第三類醫(yī)療器械，并為高值耗材類。細(xì)分市場(chǎng)占比超過(guò)5%的子行業(yè)包括體外診斷，心臟，影像診斷，骨科，眼科，整形六大細(xì)分領(lǐng)域。

其中體外診斷、骨科和心臟介入是國(guó)內(nèi)增速最快的高值耗材。生物醫(yī)用鈦及其合金材料的應(yīng)用經(jīng)歷了3個(gè)標(biāo)志性階段[27]：

應(yīng)用初期50年代初，首先在英國(guó)和美國(guó)，商業(yè)純鈦被用來(lái)制造接骨板、螺釘、髓內(nèi)釘和髖關(guān)節(jié)。瑞士Mathys公司也采用Ti-6A1-7Nb合金制造非擴(kuò)髓帶鎖髓內(nèi)釘系統(tǒng)(包括脛骨、肱骨、股骨)及用于治療股骨頸骨骨折的中空螺釘?shù)取?/p>

多孔Ni—Ti(PNT)合金生物活性材料制造頸、腰椎間融合器(Cage)加拿大BIORTHEX公司研制出采用多孔Ni—Ti合金專利材料ACTIPORE伽制造頸、腰椎間融合器用于骨科脊柱損傷的治療。

新型β鈦合金可兼顧骨科，齒科和血管介入等多種用途的先進(jìn)材料

骨科醫(yī)療器械行業(yè)占比全球醫(yī)療器械市場(chǎng)份額的9%，且仍處于快速增長(zhǎng)中。骨科醫(yī)療器械市場(chǎng)的主要?jiǎng)澐譃樗膫€(gè)領(lǐng)域創(chuàng)傷、關(guān)節(jié)、脊柱和其他。其中創(chuàng)傷類是目前唯一沒(méi)有被外企占據(jù)主要市場(chǎng)份額的細(xì)分領(lǐng)域，主要原因是該領(lǐng)域產(chǎn)品技術(shù)含量較低，易仿制，手術(shù)難度較小，眾多二三級(jí)醫(yī)院都可進(jìn)行，外企無(wú)法全面覆蓋。創(chuàng)傷類產(chǎn)品可以分為內(nèi)固定和外固定器械，內(nèi)固定創(chuàng)傷類產(chǎn)品包括髓內(nèi)釘、接骨板和螺釘?shù)龋?012年國(guó)內(nèi)骨科市場(chǎng)中創(chuàng)傷占比34%，關(guān)節(jié)28%，脊柱20%，其他18%。大關(guān)節(jié)屬于高端醫(yī)療器械，技術(shù)壁壘較高，目前主流醫(yī)院對(duì)骨科材料的選用上都是以進(jìn)口為主，在技術(shù)、設(shè)計(jì)、研發(fā)、材料、表面處理工藝等方面，國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口產(chǎn)品還存在差距。

人工關(guān)節(jié)主要分為人工膝、髖、肘、肩、指、趾關(guān)節(jié)等，其中最主要的關(guān)節(jié)置換包括髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，合計(jì)超過(guò)全球關(guān)節(jié)置換市場(chǎng)的95%。脊柱植入器械包括胸腰椎釘板系統(tǒng)，頸椎釘板系統(tǒng)和融合器系統(tǒng)等，其中椎間融合器系統(tǒng)主要用于椎間盤更換的治療，也是最重要的細(xì)分領(lǐng)域，約占整個(gè)脊柱植入市場(chǎng)的一半。

3 結(jié)語(yǔ)

鈦合金的優(yōu)越性能成就了其在醫(yī)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。鈦合金的材料設(shè)計(jì)與制備技術(shù)隨著生物技術(shù)的突破和醫(yī)療應(yīng)用的大量需求得到了快速發(fā)展。

目前生產(chǎn)的醫(yī)用鈦合金主要為α+β型鈦合金。從制備工藝來(lái)看，TC4(TC4ELI)的生產(chǎn)目前占據(jù)主要市場(chǎng)份額。β型鈦合金由于在生物相容性和力學(xué)相容性方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，因此已經(jīng)成為新型醫(yī)用鈦合金的研究熱點(diǎn)，是在醫(yī)用植入物領(lǐng)域最具潛力的技術(shù)。

今后鈦合金的生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)向著低模量，高強(qiáng)度，具有良好生物相容性和力學(xué)相容性的方向發(fā)展。從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，β型鈦合金將成為未來(lái)發(fā)展的方向和醫(yī)用鈦合金市場(chǎng)的主流。

[1]吳義舟，郭愛(ài)紅.生物醫(yī)用鈦合金發(fā)展和研究現(xiàn)狀[J].材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2010，25(2)：81-84.

[2]2010-2013年鈦合金行業(yè)發(fā)展前景分析及投資風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)報(bào)告[R].2009.

[3]劉福，吳樹(shù)建，王立強(qiáng).新型醫(yī)用鈦合金的特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀[J].材料熱處理技術(shù)，2008，37(6)：100-103.

[4]Mitsuo Niinomi.Mechanical biocompatibilities of titanium alloys for biomedical applications[J].Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials，1(2008)：30–42.

[5]詹文革.生物醫(yī)用鈦及鈦合金的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2007，24（1）：4-8.

[6]于振濤.生物醫(yī)用鈦合金材料的研究、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[C].第六屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議，2007.

[7]楊文，李小武，張廣平.生物醫(yī)用含錫元素鈦合金的研究和進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2007，21（9）：56-66.

[8]張興棟.生物醫(yī)用材料國(guó)際市場(chǎng)走勢(shì)[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2005（11）：27-32.

[9]郭文淵，姚強(qiáng)，孫堅(jiān)等.低模量高強(qiáng)度鈦合金的研究進(jìn)展[J].中國(guó)材料科技與設(shè)備，2007（3）:26-28.

[10]梁芳慧.關(guān)節(jié)置換植入物用材料臨床應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，27（1）：112-117.

[11]葛向南,朱達(dá)川,馮作明.低彈性模量β鈦合金的制備和性能[J].材料研究學(xué)報(bào)，2011，25（4）：369-372.

[12]于振濤，余森，張明華等.外科植入物用新型醫(yī)用鈦合金材料設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].中國(guó)材料進(jìn)展，2010，29（12）：35-51.

[13]趙立臣，崔春翔，劉雙進(jìn)等.基于d電子合金設(shè)計(jì)方法的生物醫(yī)用新型亞穩(wěn)β鈦合金的設(shè)計(jì)及性能研究[J].稀有金屬材料與工程，2008，37（1）：108-111.

[14]Daisuke Kuroda，Mitsuo Niinomi.Design and Mechanical Properties of NewβType Titanium Alloys for Implant Materials[J].Materials Science and Engineering A243(1998)244–249.

[15]趙立臣，崔春翔，黃楠.兩種新型生物醫(yī)用低彈性模量亞穩(wěn)β鈦合金的設(shè)計(jì)與性能研究[J].材料研究，2009(2)：13-16.

[16]Chia-Wei Lin,Chien-Ping Ju,Jiin-Huey Chern Lin.A comparison of the fatigue behavior of cast Ti–7.5Mo with c.p.titanium,Ti–6Al–4V and Ti–13Nb–13Zr alloys[J].Biomaterials，2005(26)：2899–2907.

[17]董和泉，國(guó)子明，毛協(xié)民，任忠鳴等.低能耗節(jié)約型鈦及鈦合金熔煉技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[J].材料導(dǎo)報(bào)，2008，22(5)：68-73.

[18]J.Málek，F(xiàn).Hnilica.Microstructure and mechanical properties of Ti-35Nb-6Ta alloy after thermomechanical treatment[J].Materials Characterization，66(2012)：75–82.

[19]Bomberger H B，F(xiàn)roes F H．JOM，1984，36(12)：39.

[20]彭志輝編著,稀有金屬材料加工工藝學(xué),中南大學(xué)出版社,2003.

[21]B.D.Venkatesh,D.L.Chen,S.D.Bhole.Effect of heat treatment on mechanical properties of Ti–6Al–4V ELI alloy[J].Materials Science and Engineering A 506(2009)117–124.

[22]Xingfeng Zhao,Mitsuo Niinomi.Beta type Ti–Mo alloys with Changeable Young’s Modulus for Spinal Fixation Applications[J].Acta Biomaterialia 2012(8)：1990–1997.

[23]Mohammad H.Elahinia，Mahdi Hashemi，Majid Tabesh.Manufacturing and processing of NiTi implants:A review[J].Progress in Materials Science，57(2012)：911–946.

[24]P.Laheurtea，F(xiàn).Prima.Mechanical properties of low modulus titanium alloys designed from the electronic approach[J].Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials，3(2010)：565-573.

[25]E.B.Taddei，V.A.R.Henriques.Production of new titanium alloy for orthopedic implants[J].Materials Science and Engineering C，24(2004)：683–687.

[26]Jaroslav Málek，F(xiàn)ranti–ek Hnilica.The influence of chemical composition and thermo-mechanical treatment on Ti–Nb–Ta–Zr alloys[J].Materials and Design，35(2012)：731–740.

[27]醫(yī)藥投資并購(gòu)俱樂(lè)部骨科醫(yī)療器械深度報(bào)告[C],2017-09-30.