生物医用钛合金材料的研究进展

XXXX学院生物材料学期末考查XXXX学年第一学期题目：生物医用钛合金材料的研究进展学院：XXX专业：XXX班级：XXX姓名：XXX学号：XXXXX年XX月XX日生物医用钛合金材料的研究进展XXXXXXXX学院【摘要】：介绍了钛合金属材料的发展历程，应用要求及功能特性，阐述了钛合金材料的医学应用研究与发展前景。

【关键词】：钛合金材料；特性；应用The application of biological titanium alloy materialsXXXXXXXX UniversityAbstract: Introduced the development history,application requirements functional characteristics ; functional properties and application research and development prospect of biological titanium alloy materials.Key Words: biological titanium alloy materials; characteristics; Application一、简介生物金属材料是植入人体（或动物体）以修复器官和恢复功能用的金属材料。

生物金属材料是一种发展较早的生物材料，它们在医学上的应用已有很长的时间。

但近20年来，与发展迅速的医用高分子材料、生物陶瓷材料和天然生物材料相比，医用金属材料的发展较为缓慢，但由于医用金属材料除具有其他材料不能比拟的高机械强度和优良的抗疲劳性外，一些材料还具有一定的韧性，所以目前在临床上仍有广泛的应用。

近年来钛及其合金在临床上的应用有明显主导地位，已逐步取代了Co-Cr合金及其不锈钢，钛及其合金以其与骨相近似的弹性模量、良好的生物相容性及在生物环境下优良的抗腐蚀性在临床上得到了越来越广泛的应该二、钛合金材料发展历程医用钛及钛合金的发展经历了 3 个时代: 第一个时代是α型, 以纯钛和Ti -6 Al- 4 V为代表; 第二个时代是α+ β型, 以Ti-5Al-5Fe 和T i-6Al-7Nb 为代表; 第三个时代是目前正在研制开发的生物相容性更好、弹性模量更低的β型钛合金时代。

作为人体植入物的主要金属基生物材料有不锈钢、钴基合金、钛及钛合金。

由于在人体环境内不锈钢和钴基合金比较容易发生腐蚀, 溶出Ni、Cr 和Co 元素, 对人体有毒副作用。

另外, 不锈钢和钴基合金的弹性模量比人体骨高很多。

不锈钢的弹性模量约为210 GPa, 钴基合金的弹性模量约240 GPa, 远高于人体骨约为20~ 30 GPa 的弹性模量。

而钛及钛合金以其与人体骨相近的弹性模量、良好的生物相容性及在生物环境下优良的抗腐蚀性能, 而在临床上得到越来越广泛的应用。

从20 世纪60 年代以来, Ti-6Al-4V 和Ti-6A1-4VELI 合金开始大量应用于医用领域。

然而, 随着生物医学的发展, Kiviluto、Schiff等人通过对工业上与V 接触的工人观察和动物实验认为, V 对机体有潜在的毒性。

S. G. Steineman[ 10]研究V 在兔子体内的植入行为也得出同样结论。

由于大量数据证实V 对人体具有毒性作用, 因而自20 世纪80年代以来, 德国和瑞士先后研制出无V 的α+ β型钛合金T i-5Al-5Fe和T i-6Al-7Nb合金。

这两种合金的力学性能与T i-6A1-4V 相近, 弹性模量为骨弹性模量的4~ 10 倍, 然而材料性能并没有较大的改进, 而且这些合金仍含有Al 元素。

由于20世纪90年代不断有关于Al 对人体存在潜在危害的报告, 因此美国和日本开始研制开发了不含Al、V的低弹性模量的新型生物医用?型钛合金, 例如T i-13Nb-13Zr、T i-12Mo-6Zr-2Fe和T i?35Nb-7Zr-5T a等。

三、生物医用金属的应用要求植入体内的金属材料是浸泡在血液、淋巴液、关节润滑液等体液之中使用的。

体液含有有机酸、无机盐，存在Na+、K+、Ca2+、Cl-等离子，是一种电解质，而且使用时间长达几年甚至几十年之久，因此生物金属材料首先要具备与人体组织、体液有良好的适应性（无毒，不引起变态反应和异常新陈代谢，对组织无刺激性），同时还要有耐蚀性和化学稳定性（金属离子不随血液转移，在体内生物环境中不发生变化，不受生物酶的影响）。

生物金属材料要承受人体的各种机械动作，因此在力学上应具有适宜的强度、韧性、耐磨性和耐疲劳性能。

此外，生物金属材料还要容易加工成各种复杂形状，价格便宜和使用方便。

由于生物金属材料的种类不同，应用目的不同，制植制备和加工方法有所差异，但无论何种方法都必须满足生物材料的基本要求四、生物医用钛合金材料的应用现状1、金属钛和钛合金纯钛具有无毒、质轻、强度高、生物相容性好等优点，且纯钛不会生锈，而且耐高温、低温、耐腐蚀，可与骨组织直接连接形成物理性结合，经证明与骨组织也可以发生化学性结合，因此在骨科领域应用较广。

基于以上优点，20世纪50年代，美国和英国就开始把纯钛用于生物体。

到了20世纪60年代，钛合金开始作为人体植入材料而广泛应用于临床。

钛合金就是为了进一步加强纯钛的强度而制成的。

生物相容性不如纯钛，但强度是不锈钢的3.5倍，为目前所有工业金属材料中最高。

1973年北京有色金属研究总院与天津市骨科医疗器械厂合作生产了300个钛人工股骨和髋关节，并用于临床。

由于钒有毒，对人体具有潜在的有害影响，因此20世纪70～80年代世界各国开始用钛合金研制无钒植入物。

临床领域内纯钛及其合金在修补各类大（颅、肋、胸、颌骨等）骨缺损、人工关节、种植体以及作为骨固定用板、钉、螺丝等材料中广泛使用，并取得了令人瞩目的成绩。

2、记忆合金记忆合金是形状记忆，使用最多的是镍钛记忆合金。

镍钛记忆合金具有优异的生物相容性，其表面易形成TiO2钝化膜。

TiO2膜的功能主要表现在两个方面：一方面阻止了基本的腐蚀，增加了材料的稳定性；另一方面形成一层物理化学屏障，阻止Ni的氧化，从而改变了Ni的氧化方式。

镍钛合金有较好的力学性能，具有耐蚀性、耐磨性，抗疲劳性高，弹性模量与人骨较相近（7~30GPa），因此，镍钛形状记忆合金已成为医学领域中一种理想的生物材料，随着介入医学的发展，在医学领域的应用更加广泛。

镍钛记忆合金主要用于齿科、骨科、心血管外科以及胸外科、耳鼻喉科、肝胆科、泌尿外科和妇科的支架等。

3、形状记忆合金形状记忆合金是一种新型医生物材料，国内医用形状记忆合金研究始于20世纪70年代，并很快得到了广泛应用。

临床上已采用的形状记忆合金主要有镍钛形状记忆合金和铜基形状记忆合金，前者应用广泛。

医用镍钛形状记忆合金在相变区具有形状记忆特性和超弹性，在低温下（0℃左右，处于马氏体状态）比较柔软，可以变形，将其加热到人体温度时（高温相状态）立刻恢复到原来形状，产生持续柔和的恢复力。

而此时材料较硬富有弹性，可起到矫形或支撑作用。

其记忆恢复温度为36±2℃，符合人体温度，在临床上表现出与不锈钢和钛合金相当的生物相容性。

其优良的生物相容性、耐腐蚀、耐磨性、无毒等特征，被称为21世纪的新型功能材料。

但由于镍钛记忆合金中含有大量的镍元素，如果表面处理不当，则其中的镍离子可能向周围组织扩散渗透。

医用形状记忆合金主要用于整形外科和口腔科，镍钛记忆合金应用最好的例子是自膨胀支架，特别是心血管支架。

五、钛合金材料应用展望近年研究开发了多种性能优越的新型医用β型钛合金, 但目前临床广泛使用的材料仍以纯钛和T i-6Al-4V 合金为主。

总体来讲, 目前使用的钛合金存在的主要问题有:( 1) 植入材料与人体骨组织弹性模量差距大, 力学不相容；( 2) 植入物表面生物活性不佳, 不利于骨组织的长入；( 3) 耐磨性能较差；( 4) 耐蚀性能有待提高。

金属材料的耐蚀性能将直接影响到材料的生物相容性。

由于人体环境中存在氯离子和蛋白质, 所有金属及合金在接触体液时都会被腐蚀, 在植入物表面会发生各种化学反应。

因此, 通过表面改性提高材料的耐腐蚀性能, 延长材料的使用寿命就显得非常重要。

六、结语随着生物技术的发展，不同学科的科学家进行了广泛合作，从而使制造具有完全生物功能的人工器官展示出美好的前景。

人体组织和器宫的修复，将从简单的利用器械机械固定发展到再生和重建有生命的人体组织和器宫；从短寿命的组织和器官的修复发展至永久性的修复和替换。

这一医学革命（特别是外科学），对生命利学和材料等相关学科的发展提出了诸多需求。

因此生物材料己成为各国科学家竞相进行研究和开发的热点。

当代生物材料已处于实现重大突破的边缘，不远的将来，科学家有可能借助于生物材料设计和制造整个人体器官，生物医用材料和制品产业将发展成为本世纪世界经济的一个支柱产业。

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