作為主要的生物醫(yī)用金屬功能材料之一，鈦(Ti)及其合金得到了廣泛的開發(fā)和應(yīng)用。20 世紀(jì)40年代，Bothe等人把純鈦引入到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，60年代Branemark 將純鈦用作口腔種植體，70年代Ti-6Al(鋁)-4V(釩)鈦合金被用作髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)等外科修復(fù)材料。純鈦和Ti-6Al-4V鈦合金的比強(qiáng)度和耐蝕性能優(yōu)異，具有良好的生物相容性，其彈性模量低于鈷鉻合金和不銹鋼，是使用最廣泛的生物金屬材料，占據(jù)醫(yī)用鈦合金使用量的80%以上。但純鈦強(qiáng)度低，無法用于人工髖關(guān)節(jié)、接骨釘和螺釘?shù)雀邚?qiáng)度承力構(gòu)件，主要用于口腔修復(fù)及承載力小的骨替換。純鈦的耐磨性也低于鈷鉻合金和不銹鋼，在人體內(nèi)產(chǎn)生的含Ti磨損碎屑易產(chǎn)生炎癥、骨吸收和疼痛等。為提高純鈦的強(qiáng)度和耐磨性，添加各種合金元素，如Ti-6Al-4V鈦合金，但很難避免磨損的發(fā)生。Ti-6Al-4V鈦合金生物相容性不如純鈦，含有的V及其離子的細(xì)胞毒性大，因此在醫(yī)療器械領(lǐng)域的使用受到了限制。

 

　　早期開發(fā)的鈦合金以α+β型為主，如大量使用的Ti-6Al-7Nb(鈮)合金和Ti-5Al-2.5Fe(鐵)合金。20世紀(jì)90年代，為了改善生物力學(xué)相容性和克服Al、Fe對(duì)人體引起的不良反應(yīng)，美、日等國(guó)研制開發(fā)了具有高比強(qiáng)度、高疲勞強(qiáng)度、高生物相容性和低彈性模量的新型β型鈦合金，其特點(diǎn)是使用高生物相容性的元素，具有高耐磨性和耐蝕性。具有特殊功能的鈦合金得到開發(fā)，比如具有記憶性和超彈性的鈦鎳形狀記憶合金，已經(jīng)在醫(yī)療器械領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。此外，由于鈦合金表面具有生物惰性，不利于成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)，因此鈦合金表面活化技術(shù)受到越來越多的研究和關(guān)注。

 

　　我國(guó)鈦合金的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

 

　　我國(guó)生物用鈦及鈦合金的開發(fā)始于20世紀(jì)70年代，最早于1973年由北京有色金屬研究總院與天津市醫(yī)療器械工業(yè)公司骨科器械廠等單位協(xié)作，采用純鈦制造人工股骨，并用于臨床。20世紀(jì)80年代由北京有色金屬研究總院和寶鈦集團(tuán)有限公司等單位研制出了Ti-6Al-7Nb和Ti-5Al-2.5Fe鈦合金，并在山東文登整骨醫(yī)院、天津市醫(yī)療器械工業(yè)公司骨科器械二廠、北京普魯斯鋼研外科植入物有限公司進(jìn)行了Ti-6Al-7Nb鈦合金臨床應(yīng)用。1999年，西北有色金屬研究院研制出具有自主產(chǎn)權(quán)的Ti-2.5Al-2.5Mo-2.5Zr(TAMZ)近α型鈦合金，可用作血管支架和心臟瓣膜等。2005年，西北有色金屬研究院研制出Ti-(3～6)Zr-(2～4)Mo-(24～27)Nb(TLE)和Ti-(1.5～4.5) Zr- (0.5～5.5) Sn-(1.5～4.4)Mo-(23.5～26.5)Nb(TLM)2種近β型鈦合金，適用于外科植入物和血管支架。中國(guó)科學(xué)院沈陽金屬研究所開發(fā)出的Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn(Ti2448)新型低模量近β型鈦合金，具有高比強(qiáng)度、高生物相容性和力學(xué)相容性、低彈性模量和超彈性。威高集團(tuán)開發(fā)了該合金接骨板等植入件。近年來，北京有色金屬研究總院研制出低彈性模量的Ti-Nb-Zr-Ta-Sn和Ti-Nb-Al-Sn-Si新型β型鈦合金。

 

　　我國(guó)醫(yī)療器械市場(chǎng)骨科內(nèi)固定植入物以α+β型Ti-6Al-4V醫(yī)用鈦合金為主，為規(guī)范鈦合金在醫(yī)療器械領(lǐng)域的使用，在國(guó)家有關(guān)部門的主持下，2005年以后形成了10余個(gè)相關(guān)的醫(yī)療行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)鈦合金標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)指標(biāo)基本等同國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)鈦合金質(zhì)量控制和鈦合金在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用起到了重要的保證作用。

 

　　我國(guó)在自主開發(fā)生物醫(yī)用鈦合金方面也取得了顯著的進(jìn)展，先后自主開發(fā)了20余種鈦合金，并取得了國(guó)家專利。其中大多數(shù)發(fā)明專利集中在開發(fā)骨科應(yīng)用的新型β型鈦合金和牙科修復(fù)用鈦合金。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研制的Ti-2448合金強(qiáng)度約為1000～1200MPa，彈性模量約為40～60GPa，塑性約為8%～12%，在醫(yī)用植入領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。北京有色金屬研究總院研制的Ti-Nb-Al-Sn-Si鈦合金具有低彈性模量、良好的生物相容性、力學(xué)相容性、不含有毒的鎳和釩元素，具有優(yōu)異的冷加工性能和很低的冷加工硬化率，加工成本低，是一種新型生物形狀記憶合金材料，可廣泛用于醫(yī)療器械領(lǐng)域，用作超彈支架、正畸牙弓絲和骨科植入器械等。西北有色金屬研究院開發(fā)了一種外科植入用β型鈦合金，該合金的名義化學(xué)成分為Ti-5Zr-5Mo-15Nb，即TLE鈦合金;同時(shí)，還開發(fā)了一種血管支架用β型鈦合金，該合金的名義化學(xué)成分為Ti-5Zr-3Sn-5Mo-15Nb，即TLM鈦合金,可用于制作人體心腦血管支架和非血管支架等外科植入器材;另外，在醫(yī)用鈦合金表面生物活化、多孔鈦和鈦合金應(yīng)用開發(fā)方面也出現(xiàn)了大量發(fā)明專利。威高集團(tuán)有限公司和中國(guó)科學(xué)院金屬研究所通過對(duì)鈦合金進(jìn)行陽極氧化、水熱處理和熱處理，在其表面生成了復(fù)合氧化物涂層。制備的梯度涂層晶型完整，表面具有很高的誘導(dǎo)骨羥基磷灰石層形成能力、細(xì)胞吸附和增殖能力，具有很好的生物相容性。

 

　　我國(guó)鈦合金研究的重點(diǎn)方向

 

　　近年來，我國(guó)研制開發(fā)的新型生物醫(yī)用β型鈦合金成為鈦合金研究的熱點(diǎn)，β型鈦合金具有低彈性模量、高比強(qiáng)度、高疲勞強(qiáng)度、高生物相容性和力學(xué)相容性等特點(diǎn)。

 

　　合金表面活化技術(shù)、多孔鈦及鈦合金技術(shù)也受到越來越多的研究和關(guān)注。鈦合金表面活化技術(shù)的研究重點(diǎn)是鈦合金生物相容性涂層、類骨結(jié)構(gòu)的構(gòu)建和骨(非骨)組織誘導(dǎo)理論。羥基磷灰石 〔Ca10(PO4)6(OH)2，HA〕的生物相容性與生物活性良好，植入后可直接與骨結(jié)合，是一種理想的骨缺損修復(fù)過渡材料。在鈦合金表面活化制備羥基磷灰石涂層的技術(shù)如微弧氧化技術(shù)等領(lǐng)域，研究人員展開了廣泛的研究。微弧氧化技術(shù)可以有效提高種植體骨與周圍骨組織之間整合，在種植體表面形成含有鈣(Ca)、磷(P)的生物活性物質(zhì)，促進(jìn)誘導(dǎo)骨組織形成生物化學(xué)性結(jié)合。在微弧氧化過程中，通過改變電解工藝參數(shù)，可以將Ca、P離子引入到材料表面，形成富含鈣磷(羥基磷灰石晶體或其他磷酸鈣化合物)的活性涂層。制備純鈦含鋅活性涂層可促進(jìn)成骨細(xì)胞黏附、增殖、分化及礦化，具有良好的生物相容性。利用微弧氧化技術(shù)在TLM鈦合金試件表面制備生物活性涂層，可促進(jìn)成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)，從而使鈦合金表面具有一定的生物活性。

 

　　多孔鈦及鈦合金制備技術(shù)主要有自蔓延高溫合成法、粉末冶金法和選區(qū)激光熔化技術(shù)等。第四軍醫(yī)大學(xué)唐都醫(yī)院和西北有色金屬研究院等用等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備球形TLM鈦合金粉末，利用松裝燒結(jié)的方式在中心件表面制備多孔鈦合金。利用直接金屬激光快速成形技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)可控多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的鈦合金支架制造，該技術(shù)可預(yù)先設(shè)計(jì)支架的結(jié)構(gòu)，制備出了多孔TiNi合金和Ti-6Al-4V合金。西北有色金屬研究院采用激光刻蝕技術(shù)制備了表面多孔的鈦合金。上海交通大學(xué)等采用電子束熔化成形技術(shù)，設(shè)計(jì)并制造了鉆石分子結(jié)構(gòu)的多孔鈦合金支架;采用激光刻蝕技術(shù)設(shè)計(jì)并制造出具有特定結(jié)構(gòu)特征的多孔Ti-6Al-4V合金支架，具有較低的彈性模量。激光快速成形是一種3D打印制造技術(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)控制，逐步利用高能束熔化熔池中的鈦合金粉末，加工成特定形狀的骨科植入物或牙科修復(fù)物。西北工業(yè)大學(xué)等對(duì)純鈦等醫(yī)用金屬的激光立體成形工藝進(jìn)行了大量研究，利用該技術(shù)制備的純鈦植入體力學(xué)性能和疲勞性能均高于純鈦，能夠滿足牙科植入物對(duì)力學(xué)性能的要求。目前，國(guó)內(nèi)利用激光雕刻技術(shù)加工鈦鎳合金和鈦合金血管支架的研究也取得了一定的進(jìn)展。

 

　　近年來，我國(guó)在鈦合金醫(yī)療器械應(yīng)用和開發(fā)方面取得了明顯的進(jìn)展。在傳統(tǒng)鈦合金骨科和牙科應(yīng)用開發(fā)方面，北京有色金屬研究總院開發(fā)的純鈦漏斗胸矯形器產(chǎn)品已通過國(guó)家藥監(jiān)局生產(chǎn)質(zhì)量體系認(rèn)證，并在臨床上大量應(yīng)用。西北有色金屬研究院開發(fā)的新型β型鈦合金TLE、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研制的Ti- 2448鈦合金可用作超彈支架和骨科植入器械等，有望在臨床上得到推廣應(yīng)用。

 

　　我國(guó)生物醫(yī)用鈦合金產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景

 

　　相關(guān)支持政策漸多。在國(guó)家各類科技計(jì)劃和產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的支持下，我國(guó)新材料的開發(fā)、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化水平得到了大幅提高。以北京有色金屬研究總院、中科院金屬所和西北有色金屬研究院為代表的我國(guó)鈦合金重點(diǎn)研究單位承擔(dān)的形狀記憶合金生物介入制品、Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn(錫)合金開發(fā)、新型鈦合金及其生物涂層技術(shù)開發(fā)等項(xiàng)目先后得到了國(guó)家示范工程、“863”計(jì)劃、“973 ”計(jì)劃等項(xiàng)目的大力支持，為我國(guó)在鈦合金領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化起到了很大的推動(dòng)作用。

 

　　“十二五” 期間，生物產(chǎn)業(yè)成為7大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的高性能醫(yī)學(xué)裝備產(chǎn)業(yè)化行動(dòng)計(jì)劃，將推動(dòng)新型生物醫(yī)用材料及相關(guān)醫(yī)療器械的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。針對(duì)血管、關(guān)節(jié)等疾病置換、修復(fù)的不同臨床治療需要，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的涂藥支架、骨修復(fù)材料、人工關(guān)節(jié)等醫(yī)療器械產(chǎn)品，加快臨床應(yīng)用推廣，擴(kuò)大我國(guó)植介入醫(yī)療器械的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展規(guī)模。《新材料產(chǎn)業(yè) “十二五” 發(fā)展規(guī)劃》重點(diǎn)發(fā)展方向也包括加強(qiáng)生物醫(yī)用材料研究，開發(fā)高生物相容性、高力學(xué)相容性和耐蝕性、耐磨性、低成本高性能生物醫(yī)用材料，推動(dòng)生物醫(yī)用基礎(chǔ)材料升級(jí)。重點(diǎn)解決涉及應(yīng)用量大的共性關(guān)鍵材料的問題，提高創(chuàng)新力，加快成果轉(zhuǎn)化，擴(kuò)大醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模并加快發(fā)展。《新材料產(chǎn)業(yè) “十二五” 發(fā)展規(guī)劃》設(shè)立了生物醫(yī)用材料專項(xiàng)工程，明確提出大力發(fā)展生物醫(yī)用金屬、合金及其制品，滿足血管支架、人工器官和體內(nèi)植入物等產(chǎn)品應(yīng)用需求，推動(dòng)材料與生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域交叉融合。

 

　　各地方也紛紛出臺(tái)了“十二五” 新材料產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展規(guī)劃，深圳重點(diǎn)支持組織工程材料、生物活性材料、診斷和治療材料等;上海重點(diǎn)發(fā)展前沿新材料包括生物醫(yī)用材料，加大人工關(guān)節(jié)、血管支架和心臟瓣膜等高附加值產(chǎn)品的開發(fā)和推廣應(yīng)用力度;陜西則明確提出重點(diǎn)建設(shè)鈦終端應(yīng)用產(chǎn)品工程，包括生物醫(yī)用鈦材等重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目。國(guó)家和地方的“十二五”規(guī)劃為我國(guó)生物鈦合金的發(fā)展指明了方向，提供了良好契機(jī)。

 

　　產(chǎn)業(yè)化潛力巨大。我國(guó)生物醫(yī)用材料雖然在全世界所占比重不大，但發(fā)展速度較快。2004年我國(guó)生物醫(yī)用材料產(chǎn)值為55億美元，2010年產(chǎn)值達(dá)到120億美元，占整個(gè)國(guó)際市場(chǎng)的5.43%。2010年我國(guó)醫(yī)療器械產(chǎn)值達(dá)到1900億元。用于外科植入物和矯形器械的醫(yī)用金屬材料在整個(gè)生物材料產(chǎn)品市場(chǎng)所占份額為40%左右。骨科、口腔和心血管疾病的治療主要依賴高端生物醫(yī)用材料及制品，其中醫(yī)用鈦合金在臨床用量較大，2010年我國(guó)生物醫(yī)用鈦及鈦合金達(dá)到1084t。

 

　　據(jù)介紹，我國(guó)每年的骨缺損或骨損傷患者約300萬人，骨骼不健全的達(dá)到1 000萬人。但是，國(guó)內(nèi)生物材料的大部分市場(chǎng)份額仍然被國(guó)外產(chǎn)品占據(jù)，在高端生物材料產(chǎn)品方面，國(guó)外甚至占據(jù)95%以上。隨著醫(yī)療保障覆蓋面的擴(kuò)大，人們壽命的增長(zhǎng)，到2015年預(yù)計(jì)全國(guó)將需求人工關(guān)節(jié)50萬套/年、血管支架120萬個(gè)/年，以及大量骨釘骨板、人工心臟瓣膜等。可以看出，我國(guó)臨床對(duì)生物醫(yī)用金屬材料的需求巨大，目前醫(yī)用鈦合金等材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模卻難以滿足市場(chǎng)的需求，我國(guó)的生物醫(yī)用鈦合金產(chǎn)業(yè)面臨前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

 

　　生物醫(yī)用鈦合金發(fā)展趨勢(shì)

 

　　隨著我國(guó)醫(yī)療體制改革的深入和醫(yī)療保障覆蓋面的擴(kuò)大，更多的骨組織損傷和替代患者需要接受治療。對(duì)于各類鈦合金植入和介入材料及其醫(yī)療器械產(chǎn)品的需求將逐年增加。因此，開發(fā)出低成本高生物相容性和力學(xué)相容性的鈦合金醫(yī)療器械產(chǎn)品，可以極大降低醫(yī)療保障的成本，滿足日益增長(zhǎng)的患者身體功能恢復(fù)和生活質(zhì)量提高的需求。筆者認(rèn)為，發(fā)展生物醫(yī)用鈦合金需要取得以下幾方面的突破。

 

　　降低成本。由于制備高生物相容性β型鈦合金，主要添加元素的密度、熔化溫度與鈦合金的差異大，造成鑄錠組織不均勻，并且后續(xù)的加工工藝復(fù)雜，造成鈦合金醫(yī)療器械產(chǎn)品價(jià)格高。開發(fā)粉末冶金技術(shù)代替鑄錠冶金可以提高鈦合金產(chǎn)品的質(zhì)量，降低成本;采用激光快速成型技術(shù)也可大大縮短鈦合金醫(yī)療器械產(chǎn)品的工藝流程，降低產(chǎn)品的成本。開發(fā)低成本高生物相容性的鈦合金及其醫(yī)療制品將是生物醫(yī)用鈦合金開發(fā)的趨勢(shì)之一。

 

　　鈦合金的升級(jí)和再開發(fā)。針對(duì)純鈦和Ti-6Al-4V鈦合金在醫(yī)療器械應(yīng)用方面的不足，利用非晶化、表面納米化和微晶化以及表面改性和活化技術(shù)，提高其生物相容性和化學(xué)穩(wěn)定性，使其綜合力學(xué)性能大幅提高，促進(jìn)其在骨科植入物或牙科修復(fù)物產(chǎn)品方面的臨床應(yīng)用。

 

　　開發(fā)低彈性模量、高生物相容性、高比強(qiáng)度的β型鈦合金。新型β型鈦合金其生物相容性和力學(xué)相容性優(yōu)異，在醫(yī)用植入領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。應(yīng)抓緊開發(fā)其在人工髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、接骨板、斷骨固定螺釘、血管支架、心臟修復(fù)手術(shù)、起搏器和人工心臟方面的應(yīng)用。

 

　　醫(yī)學(xué)應(yīng)用是我國(guó)鈦合金功能材料的一個(gè)重要發(fā)展方向。加強(qiáng)生物醫(yī)用材料研制、醫(yī)療器械設(shè)計(jì)制造和臨床試驗(yàn)的協(xié)作，進(jìn)一步開發(fā)新型高性能醫(yī)用鈦合金器械，促進(jìn)我國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)用鈦合金產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)國(guó)外高端醫(yī)療器械產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化替代，造福于民，是相關(guān)醫(yī)用鈦合金產(chǎn)業(yè)工作者的目標(biāo)和職責(zé)所在。

圖片來源：找項(xiàng)目網(wǎng)