作為主要的生物醫用金屬功能材料之一，鈦(Ti)及其合金得到了廣泛的開發和應用。20 世紀40年代，Bothe等人把純鈦引入到醫學領域，60年代Branemark 將純鈦用作口腔種植體，70年代Ti-6Al(鋁)-4V(釩)鈦合金被用作髖關節和膝關節等外科修復材料。純鈦和Ti-6Al-4V鈦合金的比強度和耐蝕性能優異，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，占據醫用鈦合金使用量的80%以上。但純鈦強度低，無法用于人工髖關節、接骨釘和螺釘等高強度承力構件，主要用于口腔修復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，在人體內產生的含Ti磨損碎屑易產生炎癥、骨吸收和疼痛等。為提高純鈦的強度和耐磨性，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及其離子的細胞毒性大，因此在醫療器械領域的使用受到了限制。

 

　　早期開發的鈦合金以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90年代，為了改善生物力學相容性和克服Al、Fe對人體引起的不良反應，美、日等國研制開發了具有高比強度、高疲勞強度、高生物相容性和低彈性模量的新型β型鈦合金，其特點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，比如具有記憶性和超彈性的鈦鎳形狀記憶合金，已經在醫療器械領域得到廣泛應用。此外，由于鈦合金表面具有生物惰性，不利于成骨細胞的生長，因此鈦合金表面活化技術受到越來越多的研究和關注。

 

　　我國鈦合金的發展歷史與現狀

 

　　我國生物用鈦及鈦合金的開發始于20世紀70年代，最早于1973年由北京有色金屬研究總院與天津市醫療器械工業公司骨科器械廠等單位協作，采用純鈦制造人工股骨，并用于臨床。20世紀80年代由北京有色金屬研究總院和寶鈦集團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院、天津市醫療器械工業公司骨科器械二廠、北京普魯斯鋼研外科植入物有限公司進行了Ti-6Al-7Nb鈦合金臨床應用。1999年，西北有色金屬研究院研制出具有自主產權的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。中國科學院沈陽金屬研究所開發出的Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn(Ti2448)新型低模量近β型鈦合金，具有高比強度、高生物相容性和力學相容性、低彈性模量和超彈性。威高集團開發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。

 

　　我國醫療器械市場骨科內固定植入物以α+β型Ti-6Al-4V醫用鈦合金為主，為規范鈦合金在醫療器械領域的使用，在國家有關部門的主持下，2005年以后形成了10余個相關的醫療行業標準和國家標準。我國鈦合金標準中的技術指標基本等同國際標準，對鈦合金質量控制和鈦合金在醫療器械領域的應用起到了重要的保證作用。

 

　　我國在自主開發生物醫用鈦合金方面也取得了顯著的進展，先后自主開發了20余種鈦合金，并取得了國家專利。其中大多數發明專利集中在開發骨科應用的新型β型鈦合金和牙科修復用鈦合金。中國科學院金屬研究所研制的Ti-2448合金強度約為1000～1200MPa，彈性模量約為40～60GPa，塑性約為8%～12%，在醫用植入領域具有很好的應用前景。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、力學相容性、不含有毒的鎳和釩元素，具有優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，可廣泛用于醫療器械領域，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了一種外科植入用β型鈦合金，該合金的名義化學成分為Ti-5Zr-5Mo-15Nb，即TLE鈦合金;同時，還開發了一種血管支架用β型鈦合金，該合金的名義化學成分為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，在醫用鈦合金表面生物活化、多孔鈦和鈦合金應用開發方面也出現了大量發明專利。威高集團有限公司和中國科學院金屬研究所通過對鈦合金進行陽極氧化、水熱處理和熱處理，在其表面生成了復合氧化物涂層。制備的梯度涂層晶型完整，表面具有很高的誘導骨羥基磷灰石層形成能力、細胞吸附和增殖能力，具有很好的生物相容性。

 

　　我國鈦合金研究的重點方向

 

　　近年來，我國研制開發的新型生物醫用β型鈦合金成為鈦合金研究的熱點，β型鈦合金具有低彈性模量、高比強度、高疲勞強度、高生物相容性和力學相容性等特點。

 

　　合金表面活化技術、多孔鈦及鈦合金技術也受到越來越多的研究和關注。鈦合金表面活化技術的研究重點是鈦合金生物相容性涂層、類骨結構的構建和骨(非骨)組織誘導理論。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合，是一種理想的骨缺損修復過渡材料。在鈦合金表面活化制備羥基磷灰石涂層的技術如微弧氧化技術等領域，研究人員展開了廣泛的研究。微弧氧化技術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，促進誘導骨組織形成生物化學性結合。在微弧氧化過程中，通過改變電解工藝參數，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成骨細胞黏附、增殖、分化及礦化，具有良好的生物相容性。利用微弧氧化技術在TLM鈦合金試件表面制備生物活性涂層，可促進成骨細胞的生長，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主要有自蔓延高溫合成法、粉末冶金法和選區激光熔化技術等。第四軍醫大學唐都醫院和西北有色金屬研究院等用等離子旋轉電極法制備球形TLM鈦合金粉末，利用松裝燒結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可以實現可控多孔結構設計的鈦合金支架制造，該技術可預先設計支架的結構，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制備了表面多孔的鈦合金。上海交通大學等采用電子束熔化成形技術，設計并制造了鉆石分子結構的多孔鈦合金支架;采用激光刻蝕技術設計并制造出具有特定結構特征的多孔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，結合計算機控制，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物。西北工業大學等對純鈦等醫用金屬的激光立體成形工藝進行了大量研究，利用該技術制備的純鈦植入體力學性能和疲勞性能均高于純鈦，能夠滿足牙科植入物對力學性能的要求。目前，國內利用激光雕刻技術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展。

 

　　近年來，我國在鈦合金醫療器械應用和開發方面取得了明顯的進展。在傳統鈦合金骨科和牙科應用開發方面，北京有色金屬研究總院開發的純鈦漏斗胸矯形器產品已通過國家藥監局生產質量體系認證，并在臨床上大量應用。西北有色金屬研究院開發的新型β型鈦合金TLE、中國科學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用。

 

　　我國生物醫用鈦合金產業發展前景

 

　　相關支持政策漸多。在國家各類科技計劃和產業發展規劃的支持下，我國新材料的開發、應用和產業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鈦合金重點研究單位承擔的形狀記憶合金生物介入制品、Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn(錫)合金開發、新型鈦合金及其生物涂層技術開發等項目先后得到了國家示范工程、“863”計劃、“973 ”計劃等項目的大力支持，為我國在鈦合金領域的關鍵技術創新和產業化起到了很大的推動作用。

 

　　“十二五” 期間，生物產業成為7大戰略性新興產業之一。生物產業發展規劃的高性能醫學裝備產業化行動計劃，將推動新型生物醫用材料及相關醫療器械的產業化發展。針對血管、關節等疾病置換、修復的不同臨床治療需要，研制具有自主知識產權的涂藥支架、骨修復材料、人工關節等醫療器械產品，加快臨床應用推廣，擴大我國植介入醫療器械的產業化發展規模?！缎虏牧袭a業 “十二五” 發展規劃》重點發展方向也包括加強生物醫用材料研究，開發高生物相容性、高力學相容性和耐蝕性、耐磨性、低成本高性能生物醫用材料，推動生物醫用基礎材料升級。重點解決涉及應用量大的共性關鍵材料的問題，提高創新力，加快成果轉化，擴大醫用材料產業規模并加快發展?！缎虏牧袭a業 “十二五” 發展規劃》設立了生物醫用材料專項工程，明確提出大力發展生物醫用金屬、合金及其制品，滿足血管支架、人工器官和體內植入物等產品應用需求，推動材料與生物醫學等領域交叉融合。

 

　　各地方也紛紛出臺了“十二五” 新材料產業重點發展規劃，深圳重點支持組織工程材料、生物活性材料、診斷和治療材料等;上海重點發展前沿新材料包括生物醫用材料，加大人工關節、血管支架和心臟瓣膜等高附加值產品的開發和推廣應用力度;陜西則明確提出重點建設鈦終端應用產品工程，包括生物醫用鈦材等重點產業化項目。國家和地方的“十二五”規劃為我國生物鈦合金的發展指明了方向，提供了良好契機。

 

　　產業化潛力巨大。我國生物醫用材料雖然在全世界所占比重不大，但發展速度較快。2004年我國生物醫用材料產值為55億美元，2010年產值達到120億美元，占整個國際市場的5.43%。2010年我國醫療器械產值達到1900億元。用于外科植入物和矯形器械的醫用金屬材料在整個生物材料產品市場所占份額為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用材料及制品，其中醫用鈦合金在臨床用量較大，2010年我國生物醫用鈦及鈦合金達到1084t。

 

　　據介紹，我國每年的骨缺損或骨損傷患者約300萬人，骨骼不健全的達到1 000萬人。但是，國內生物材料的大部分市場份額仍然被國外產品占據，在高端生物材料產品方面，國外甚至占據95%以上。隨著醫療保障覆蓋面的擴大，人們壽命的增長，到2015年預計全國將需求人工關節50萬套/年、血管支架120萬個/年，以及大量骨釘骨板、人工心臟瓣膜等?？梢钥闯?，我國臨床對生物醫用金屬材料的需求巨大，目前醫用鈦合金等材料產業規模卻難以滿足市場的需求，我國的生物醫用鈦合金產業面臨前所未有的機遇和挑戰。

 

　　生物醫用鈦合金發展趨勢

 

　　隨著我國醫療體制改革的深入和醫療保障覆蓋面的擴大，更多的骨組織損傷和替代患者需要接受治療。對于各類鈦合金植入和介入材料及其醫療器械產品的需求將逐年增加。因此，開發出低成本高生物相容性和力學相容性的鈦合金醫療器械產品，可以極大降低醫療保障的成本，滿足日益增長的患者身體功能恢復和生活質量提高的需求。筆者認為，發展生物醫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，并且后續的加工工藝復雜，造成鈦合金醫療器械產品價格高。開發粉末冶金技術代替鑄錠冶金可以提高鈦合金產品的質量，降低成本;采用激光快速成型技術也可大大縮短鈦合金醫療器械產品的工藝流程，降低產品的成本。開發低成本高生物相容性的鈦合金及其醫療制品將是生物醫用鈦合金開發的趨勢之一。

 

　　鈦合金的升級和再開發。針對純鈦和Ti-6Al-4V鈦合金在醫療器械應用方面的不足，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，提高其生物相容性和化學穩定性，使其綜合力學性能大幅提高，促進其在骨科植入物或牙科修復物產品方面的臨床應用。

 

　　開發低彈性模量、高生物相容性、高比強度的β型鈦合金。新型β型鈦合金其生物相容性和力學相容性優異，在醫用植入領域具有很好的應用前景。應抓緊開發其在人工髖關節、膝關節、接骨板、斷骨固定螺釘、血管支架、心臟修復手術、起搏器和人工心臟方面的應用。

 

　　醫學應用是我國鈦合金功能材料的一個重要發展方向。加強生物醫用材料研制、醫療器械設計制造和臨床試驗的協作，進一步開發新型高性能醫用鈦合金器械，促進我國傳統醫用鈦合金產業的優化升級，實現國外高端醫療器械產品的國產化替代，造福于民，是相關醫用鈦合金產業工作者的目標和職責所在。

圖片來源：找項目網