生物(wu)医(yi)用(yong)钛合金材(cai)料(liao)（钛(tai)丝(si)、钛锻(duan)件、钛(tai)棒(bang)、钛(tai)板(ban)）是(shi)专指(zhi)用于(yu)生(sheng)物医学工程(cheng)的(de)一类功(gong)能(neng)结构(gou)材料，具体(ti)指是(shi)用(yong)于(yu)外科植(zhi)入物和矫形(xing)器械产品的(de)生产(chan)和制造[1] 。
钛合(he)金(jin)加(jia)工(gong)材的生产(chan)制备(bei)涉(she)及冶金(jin)，压力(li)加(jia)工(gong)，复合(he)材料和化(hua)工等(deng)领域(yu)，是世界(jie)上公(gong)认的(de)高(gao)技术产品(pin)。钛(tai)及钛合(he)金开(kai)始由航天(tian)、航(hang)空、国防(fang)军(jun)工(gong)领域逐(zhu)渐进(jin)入(ru)到民(min)用(yong)消(xiao)费(fei)领域[2] 。诸(zhu)如(ru)医(yi)疗卫生(sheng)行(xing)业(ye)中(zhong)的(de)植(zhi)入物(wu)，医(yi)疗(liao)器械 ；体(ti)育(yu)休闲(xian)业的(de)钛高尔(er)夫球(qiu)杆以及钛(tai)眼(yan)镜(jing)架、钛手表、钛(tai)自(zi)行车(che)等(deng)产品(pin)，对钛加工材的需求量在不断增(zeng)大(da)。随着生(sheng)物技(ji)术(shu)的(de)蓬勃(bo)发展(zhan)和(he)重大突(tu)破，生(sheng)物(wu)医(yi)用金(jin)属(shu)材(cai)料及(ji)其(qi)制品(pin)产业将(jiang)发(fa)展(zhan)成(cheng)为(wei)世(shi)界经(jing)济(ji)的一(yi)个支柱产(chan)业[3] 。
其中(zhong)，钛(tai)丝凭借着(zhe)质轻(qing)，弹性模(mo)量低(di)，无毒无(wu)磁(ci)，抗(kang)腐(fu)蚀(shi)，强度(du)高、韧(ren)性(xing)好(hao)等优良的综合(he)性(xing)能，于(yu)近年(nian)来(lai)的(de)需求(qiu)量也出现(xian)了快(kuai)速(su)稳(wen)步的增长(zhang)[4] 。同(tong)时(shi)，随着钛(tai)合金(jin)开始进入整形(xing)外(wai)科(ke)等(deng)领(ling)域(yu)，新的(de)潜(qian)在(zai)市场需求出现(xian)，未(wei)来钛合(he)金市(shi)场将(jiang)会(hui)出现更快速的(de)增长。
1、医用(yong)钛(tai)合金(jin)的研究(jiu)进(jin)展(zhan)
1.1 医(yi)用(yong)钛(tai)合金的分(fen)类
钛合(he)金按材(cai)料(liao)显微(wei)组(zu)织类型可分为 ：α型，α+β型(xing)和(he)β型(xing)钛(tai)合金3类(lei) ；其典(dian)型性能(neng)如表(biao)1所(suo)示。
生物(wu)医(yi)用钛合金的(de)分类和典型性能
1.2 医(yi)用(yong)钛(tai)合(he)金(jin)的发(fa)展趋势(shi)
经文献(xian)调(diao)研[8-14] 发(fa)现，国内(nei)外(wai)的(de)相(xiang)关研(yan)究学(xue)者一致(zhi)认(ren)为(wei)医用钛合金(jin)的发展经历(li)了三个标志(zhi)性的阶(jie)段，第(di)一(yi)阶段(duan)是以(yi)纯钛和(he)Ti-6Al-4V合(he)金为(wei)代表(biao)的 ；第二(er)阶(jie)段是以(yi)Ti-5A1-2.5Fe、Ti-6A1-7Nb为代表的新型α+β型合(he)金(jin) ；第(di)三阶(jie)段(duan)是主(zhu)要开发与(yu)研制具(ju)有(you)更好生(sheng)物相(xiang)容性和(he)更低弹性模(mo)量(liang)β-钛合(he)金的(de)阶段(duan)。
理(li)想的生物医用(yong)钛合金(jin)材(cai)料(liao)[15] 必须(xu)满足有(you)以下(xia)条(tiao)件 ：
良(liang)好(hao)的(de)生(sheng)物相(xiang)容(rong)性(xing)、弹(dan)性(xing)模(mo)量低、密度(du)低、防腐性(xing)能(neng)好(hao)、无毒(du)、屈服强(qiang)度(du)高(gao)、疲劳(lao)寿(shou)命(ming)长、室温下有较(jiao)大的塑性、易(yi)成形、易铸造等。
而目前一直(zhi)广(guang)泛应用(yong)于(yu)植入物材料(liao)的重要(yao)合金(jin)为(wei)Ti-6A1-4V和(he)Ti-6A1-4VELI。
有(you)文(wen)献(xian)报(bao)道[16-19] V元(yuan)素(su)可引(yin)起恶(e)性组织(zhi)反应，可(ke)能对人(ren)体产生毒(du)副(fu)作用，Al则(ze)会引(yin)起骨质(zhi)疏松(song)和精(jing)神紊(wen)乱(luan)等病(bing)症(zheng) ；为(wei)了(le)解决(jue)此(ci)问题，当前(qian)生(sheng)物(wu)材料学家(jia)便(bian)致力(li)于探(tan)索与(yu)研究(jiu)不(bu)含(han)V、Al的新型生(sheng)物(wu)医用钛合金材料，在(zai)此之(zhi)前(qian)很(hen)有必(bi)要(yao)搞清楚什(shen)么样的合金(jin)元素是适(shi)合(he)添(tian)加(jia)的既无毒(du)又(you)符(fu)合生物(wu)相(xiang)容(rong)性原理的(de)。
有研(yan)究[20-23] 发现含钼(mu)，铌，钽，锆等无(wu)毒元(yuan)素(su)的(de)β钛(tai)合金含(han)有较高(gao)含量(liang)的(de)β稳(wen)定元(yuan)素(su)，与α+β型(xing)钛(tai)合金(jin)相比(bi)，具(ju)有(you)较低的(de)弹(dan)性(xing)模量(liang)（E=55~80GPa）以(yi)及(ji)更(geng)好的(de)剪(jian)切性(xing)能和韧性(xing)，更适(shi)于(yu)作(zuo)为植入物(wu)植(zhi)入人(ren)体(ti)。
2、钛(tai)合金的(de)应(ying)用
2.1 钛合金的医(yi)用(yong)基础(chu)
使(shi)用(yong)钛(tai)及(ji)钛合金(jin)作为(wei)人(ren)体植(zhi)入(ru)物的(de)优(you)势(shi)主要有(you) ：
（1）密(mi)度(20℃ )=4.5g/cm3 ，质轻(qing)。植入人体(ti)内 ：减(jian)轻人(ren)体负荷(he)量，作(zuo)为(wei)医(yi)疗器械(xie) ：减轻医务人(ren)员(yuan)操(cao)作(zuo)负(fu)荷(he)。
（2）弹性(xing)模(mo)量(liang)低(di)，纯(chun)钛(tai)为(wei)108 500 MPa，植(zhi)入人体内(nei) ：与(yu)人体(ti)自(zi)然(ran)骨更(geng)接(jie)近(jin)，利于接骨，减少(shao)骨(gu)头(tou)对(dui)植(zhi)入物的(de)应力屏蔽效(xiao)应。
（3）无磁性，不(bu)受(shou)电(dian)磁(ci)场(chang)和(he)雷(lei)雨(yu)天(tian)气影响(xiang)，利(li)于(yu)使(shi)用(yong)后的人(ren)体(ti)安(an)全(quan)。
（4）无毒性(xing)，作(zuo)为(wei)植(zhi)入(ru)物对人体(ti)无毒(du)副(fu)作用(yong)。
（5）抗(kang)腐(fu)蚀性（生物(wu)惰(duo)性(xing)金属材(cai)料(liao)），在(zai)人(ren)体血(xue)液的(de)浸(jin)泡环境(jing)中(zhong)有优(you)异的(de)耐(nai)腐(fu)蚀(shi)性(xing)能(neng)，保(bao)证(zheng)与人体血(xue)液(ye)及(ji)细胞组(zu)织的(de)相容性(xing)好，作(zuo)为(wei)植(zhi)入(ru)物(wu)不产生人体(ti)污(wu)染(ran)，不(bu)会发(fa)生(sheng)过(guo)敏反应(ying)，这是(shi)钛(tai)及(ji)钛(tai)合金(jin)应(ying)用的基(ji)础(chu)条件(jian)。
（6）强度高、韧性(xing)好，因(yin)外伤(shang)、肿(zhong)瘤(liu)等因素(su)导致骨、关(guan)节(jie)损(sun)害(hai)，为建立稳固的骨(gu)支(zhi)架，必须(xu)借助(zhu)弧(hu)型板(ban)、螺(luo)丝钉、人造(zao)骨及关(guan)节等，这(zhe)些植(zhi)入(ru)物(wu)要长期(qi)留(liu)置(zhi)于(yu)人(ren)体(ti)内，会(hui)受到(dao)人体(ti)的(de)弯曲(qu)、扭转(zhuan)、挤压、肌肉(rou)收(shou)缩力(li)等作用，要求植(zhi)入(ru)物具有高的(de)强度和韧性。
2.2 钛合金(jin)的(de)医用(yong)领(ling)域及(ji)骨科(ke)领(ling)域市(shi)场情况(kuang)
随着钛合(he)金(jin)的(de)开发(fa)研(yan)制、钛材品种(zhong)的增(zeng)多(duo)及价格的(de)降(jiang)低(di)，钛在(zai)民(min)用(yong)工业(ye)中(zhong)的应用成倍(bei)增(zeng)加。CFDA将医(yi)疗(liao)器械(xie)按照其安(an)全(quan)性(xing)由高至低(di)分为(wei)三个(ge)等(deng)级，并分别(bie)由三级(ji)政(zheng)府进(jin)行(xing)监(jian)督管理(li)，钛及钛(tai)合金(jin)材(cai)料的植入物(wu)属于(yu)第三(san)类医疗(liao)器械(xie)，并为高值(zhi)耗(hao)材类(lei)。细(xi)分市场占比(bi)超过5%的子(zi)行(xing)业(ye)包括体(ti)外诊断，心脏，影像(xiang)诊(zhen)断，骨(gu)科，眼(yan)科，整形(xing)六(liu)大(da)细(xi)分(fen)领域(yu)。
其(qi)中体(ti)外(wai)诊(zhen)断、骨(gu)科(ke)和(he)心脏介(jie)入(ru)是国内增(zeng)速(su)最快的(de)高值耗(hao)材(cai)。生(sheng)物医用(yong)钛及其(qi)合金(jin)材料(liao)的应用(yong)经历了(le)3个标志性(xing)阶段[27]：
应(ying)用(yong)初(chu)期(qi)50年代(dai)初(chu)，首先在(zai)英(ying)国(guo)和美国，商业(ye)纯(chun)钛(tai)被(bei)用来制造接(jie)骨(gu)板(ban)、螺钉(ding)、髓内(nei)钉和髋(kuan)关节(jie)。瑞士Mathys公司也采用(yong)Ti-6A1-7Nb合金(jin)制(zhi)造非扩(kuo)髓(sui)带锁髓内(nei)钉系(xi)统(tong)(包括(kuo)胫(jing)骨、肱(gong)骨(gu)、股骨(gu))及用(yong)于治疗股骨颈骨(gu)骨(gu)折的中(zhong)空(kong)螺钉等(deng)。
多(duo)孔Ni—Ti(PNT)合(he)金生(sheng)物活(huo)性(xing)材(cai)料制造颈、腰椎间融(rong)合(he)器(qi)(Cage)加拿大(da)BIORTHEX公司研(yan)制(zhi)出(chu)采用(yong)多孔Ni—Ti合(he)金专利材料(liao)ACTIPORE伽(ga)制(zhi)造颈(jing)、腰椎(chui)间融合器(qi)用于(yu)骨(gu)科(ke)脊(ji)柱损(sun)伤(shang)的治疗。新(xin)型(xing)β钛(tai)合金可(ke)兼顾骨(gu)科(ke)，齿科和血管(guan)介(jie)入(ru)等多种(zhong)用途的先(xian)进(jin)材(cai)料骨科(ke)医(yi)疗(liao)器械行业占(zhan)比全球(qiu)医(yi)疗(liao)器械市场(chang)份额的9%，且仍处(chu)于(yu)快(kuai)速增(zeng)长中。骨(gu)科医(yi)疗(liao)器械(xie)市(shi)场的主(zhu)要划(hua)分为四(si)个(ge)领域(yu)创伤(shang)、关节、脊(ji)柱和(he)其他。其中(zhong)创(chuang)伤(shang)类是(shi)目前(qian)唯(wei)一(yi)没(mei)有被(bei)外企(qi)占据主(zhu)要市场份(fen)额的(de)细(xi)分领(ling)域，主(zhu)要原(yuan)因(yin)是(shi)该(gai)领域产品技术含量较低(di)，易(yi)仿(fang)制(zhi)，手(shou)术(shu)难(nan)度较小，众(zhong)多二三(san)级医院(yuan)都(dou)可(ke)进(jin)行(xing)，外(wai)企无法全(quan)面(mian)覆盖。创(chuang)伤(shang)类产(chan)品可(ke)以(yi)分为内固定(ding)和(he)外固(gu)定(ding)器(qi)械(xie)，内固(gu)定(ding)创(chuang)伤(shang)类产(chan)品包括(kuo)髓内钉、接骨板和(he)螺(luo)钉(ding)等(deng)，2012年(nian)国(guo)内(nei)骨科(ke)市场中(zhong)创(chuang)伤(shang)占比(bi)34%，关节(jie)28%，脊柱20%，其他(ta)18%。大关(guan)节(jie)属(shu)于(yu)高端(duan)医(yi)疗(liao)器(qi)械，技(ji)术壁垒较高，目前主流(liu)医院(yuan)对骨(gu)科(ke)材(cai)料(liao)的(de)选用上(shang)都(dou)是以进口(kou)为(wei)主，在技术(shu)、设(she)计、研(yan)发(fa)、材料、表面(mian)处(chu)理(li)工(gong)艺等方(fang)面，国(guo)产(chan)与进口产(chan)品(pin)还(hai)存(cun)在(zai)差(cha)距。
人(ren)工关节主要分(fen)为(wei)人工膝(xi)、髋(kuan)、肘(zhou)、肩、指、趾关节等(deng)，其中(zhong)最(zui)主(zhu)要(yao)的关(guan)节(jie)置(zhi)换包(bao)括(kuo)髋(kuan)关(guan)节和膝关节(jie)，合计超(chao)过全球关(guan)节(jie)置换(huan)市场的(de)95%。脊(ji)柱(zhu)植(zhi)入(ru)器械(xie)包括(kuo)胸(xiong)腰椎(chui)钉板系统(tong)，颈椎钉板系(xi)统(tong)和(he)融(rong)合器(qi)系(xi)统(tong)等，其中(zhong)椎(chui)间(jian)融(rong)合(he)器(qi)系统主(zhu)要(yao)用(yong)于椎间(jian)盘更(geng)换(huan)的(de)治(zhi)疗(liao)，也(ye)是(shi)最(zui)重(zhong)要的细分(fen)领域(yu)，约占整个(ge)脊(ji)柱植入市场的(de)一(yi)半。
3、结语(yu)
钛(tai)合(he)金的(de)优(you)越性(xing)能成就(jiu)了(le)其在(zai)医用领域的(de)领先(xian)地(di)位。钛合金的(de)材(cai)料设(she)计(ji)与(yu)制备(bei)技术随(sui)着(zhe)生物技术(shu)的(de)突(tu)破(po)和医(yi)疗应用的大量需(xu)求得到(dao)了快(kuai)速(su)发(fa)展(zhan)。
目前(qian)生(sheng)产(chan)的医用钛合(he)金主要(yao)为(wei)α+β型钛合金(jin)。从制备(bei)工(gong)艺来(lai)看，TC4(TC4ELI)的生产目(mu)前占据(ju)主(zhu)要市场(chang)份(fen)额(e)。β型钛(tai)合金(jin)由于(yu)在生(sheng)物(wu)相(xiang)容性(xing)和力学(xue)相(xiang)容性方(fang)面具(ju)有一定的(de)优(you)势，因此已(yi)经成为新型(xing)医用钛(tai)合金(jin)的(de)研(yan)究热(re)点(dian)，是在(zai)医用植入(ru)物(wu)领(ling)域(yu)最(zui)具潜力的技(ji)术(shu)。
今后钛(tai)合金(jin)的(de)生产技(ji)术应(ying)向着低(di)模量(liang)，高(gao)强度，具(ju)有良好生(sheng)物(wu)相容(rong)性(xing)和力学相容(rong)性(xing)的(de)方向发展(zhan)。从发(fa)展趋(qu)势(shi)来看，β型钛(tai)合金将成(cheng)为(wei)未来发展的方向(xiang)和(he)医(yi)用钛合金市(shi)场的(de)主流(liu)。
【参(can)考(kao)文(wen)献】
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