生物醫用鈦合金材料及其應用

魏芬絨，王海，金旭丹，楊曉康，崔文俊

（西安賽特思邁鈦業有限公司，陜西 西安 710299）

生物醫用鈦合金材料是專指用于生物醫學工程的一類功能結構材料，具體指是用于外科植入物和矯形器械產品的生產和制造[1]。

鈦合金加工材的生產制備涉及冶金，壓力加工，復合材料和化工等領域，是世界上公認的高技術產品。鈦及鈦合金開始由航天、航空、國防軍工領域逐漸進入到民用消費領域[2]。諸如醫療衛生行業中的植入物，醫療器械；體育休閑業的鈦高爾夫球桿以及鈦眼鏡架、鈦手表、鈦自行車等產品，對鈦加工材的需求量在不斷增大。隨著生物技術的蓬勃發展和重大突破，生物醫用金屬材料及其制品產業將發展成為世界經濟的一個支柱產業[3]。

其中，鈦及其合金憑借著質輕，彈性模量低，無毒無磁，抗腐蝕，強度高、韌性好等優良的綜合性能，于近年來的需求量也出現了快速穩步的增長[4]。同時，隨著鈦合金開始進入整形外科等領域，新的潛在市場需求出現，未來鈦合金市場將會出現更快速的增長。

1 醫用鈦合金的研究進展

1.1 醫用鈦合金的分類

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 生物醫用鈦合金的分類和典型性能[11]

1.2 醫用鈦合金的發展趨勢

經文獻調研[8-14]發現，國內外的相關研究學者一致認為醫用鈦合金的發展經歷了三個標志性的階段，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；第三階段是主要開發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、無毒、屈服強度高、疲勞壽命長、室溫下有較大的塑性、易成形、易鑄造等。

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

有文獻報道[16-19]V元素可引起惡性組織反應，可能對人體產生毒副作用，Al則會引起骨質疏松和精神紊亂等病癥；為了解決此問題，當前生物材料學家便致力于探索與研究不含V、Al的新型生物醫用鈦合金材料，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毒又符合生物相容性原理的。

有研究[20-23]發現含鉬，鈮，鉭，鋯等無毒元素的β鈦合金含有較高含量的β穩定元素，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 鈦合金的應用

2.1 鈦合金的醫用基礎

使用鈦及鈦合金作為人體植入物的優勢主要有：

（1）密度(20℃)=4.5g/cm3，質輕。植入人體內：減輕人體負荷量，作為醫療器械：減輕醫務人員操作負荷。

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

（3）無磁性，不受電磁場和雷雨天氣影響，利于使用后的人體安全。

（4）無毒性，作為植入物對人體無毒副作用。

（5）抗腐蝕性（生物惰性金屬材料），在人體血液的浸泡環境中有優異的耐腐蝕性能，保證與人體血液及細胞組織的相容性好，作為植入物不產生人體污染，不會發生過敏反應，這是鈦及鈦合金應用的基礎條件。

（6）強度高、韌性好，因外傷、腫瘤等因素導致骨、關節損害，為建立穩固的骨支架，必須借助弧型板、螺絲釘、人造骨及關節等，這些植入物要長期留置于人體內，會受到人體的彎曲、扭轉、擠壓、肌肉收縮力等作用，要求植入物具有高的強度和韌性。

2.2 鈦合金的醫用領域及骨科領域市場情況

隨著鈦合金的開發研制、鈦材品種的增多及價格的降低，鈦在民用工業中的應用成倍增加。CFDA將醫療器械按照其安全性由高至低分為三個等級，并分別由三級政府進行監督管理，鈦及鈦合金材料的植入物屬于第三類醫療器械，并為高值耗材類。細分市場占比超過5%的子行業包括體外診斷，心臟，影像診斷，骨科，眼科，整形六大細分領域。

其中體外診斷、骨科和心臟介入是國內增速最快的高值耗材。生物醫用鈦及其合金材料的應用經歷了3個標志性階段[27]：

應用初期50年代初，首先在英國和美國，商業純鈦被用來制造接骨板、螺釘、髓內釘和髖關節。瑞士Mathys公司也采用Ti-6A1-7Nb合金制造非擴髓帶鎖髓內釘系統(包括脛骨、肱骨、股骨)及用于治療股骨頸骨骨折的中空螺釘等。

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材料

骨科醫療器械行業占比全球醫療器械市場份額的9%，且仍處于快速增長中。骨科醫療器械市場的主要劃分為四個領域創傷、關節、脊柱和其他。其中創傷類是目前唯一沒有被外企占據主要市場份額的細分領域，主要原因是該領域產品技術含量較低，易仿制，手術難度較小，眾多二三級醫院都可進行，外企無法全面覆蓋。創傷類產品可以分為內固定和外固定器械，內固定創傷類產品包括髓內釘、接骨板和螺釘等，2012年國內骨科市場中創傷占比34%，關節28%，脊柱20%，其他18%。大關節屬于高端醫療器械，技術壁壘較高，目前主流醫院對骨科材料的選用上都是以進口為主，在技術、設計、研發、材料、表面處理工藝等方面，國產與進口產品還存在差距。

人工關節主要分為人工膝、髖、肘、肩、指、趾關節等，其中最主要的關節置換包括髖關節和膝關節，合計超過全球關節置換市場的95%。脊柱植入器械包括胸腰椎釘板系統，頸椎釘板系統和融合器系統等，其中椎間融合器系統主要用于椎間盤更換的治療，也是最重要的細分領域，約占整個脊柱植入市場的一半。

3 結語

鈦合金的優越性能成就了其在醫用領域的領先地位。鈦合金的材料設計與制備技術隨著生物技術的突破和醫療應用的大量需求得到了快速發展。

目前生產的醫用鈦合金主要為α+β型鈦合金。從制備工藝來看，TC4(TC4ELI)的生產目前占據主要市場份額。β型鈦合金由于在生物相容性和力學相容性方面具有一定的優勢，因此已經成為新型醫用鈦合金的研究熱點，是在醫用植入物領域最具潛力的技術。

今后鈦合金的生產技術應向著低模量，高強度，具有良好生物相容性和力學相容性的方向發展。從發展趨勢來看，β型鈦合金將成為未來發展的方向和醫用鈦合金市場的主流。

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