生物医用钛合金材料 附件

发布日期：[2006-12-28] 共阅[2695]次

摘要综述了生物医用钛及其合金材料的最新开发应用进展与市场状况；对我国目前应用生物医用钛及其合金方面存在的问题进行了初步分析；并对这一领域的发展前景进行了展望。关键词生物医用钛及其合金材料；生物相容性；弹性模量；骨整合 1 概述生物医用材料是材料科学的一个重要分支，是用于诊断、治疗或替代人体组织、器官或增进其功能、具有高技术含量和高经济价值的新型载体材料，是材料科学技术中一个正在发展的新领域。生物医用材料对于探索人类生命奥秘、保障人类健康长寿做出更大贡献。近10多年以来，生物医用材料及制品的市场增长率一直保持在20％—25％左右，预计未来10年-15年内，包括生物医用材料在内的医疗器械产业将达到医药制品市场规模，成为21世纪世界经济的支柱产业。在生物医用金属材料中，钛及其合金凭借优良的综合性能，成为人工关节(髋、膝、肩、踝、肘、腕、指关节等)、骨创伤产品(髓内钉、钢板、螺钉等)、脊柱矫形内固定系统、牙种植体、牙托、牙矫形丝、人工心脏瓣膜、介入性心血管支架等医用内植物产品的首选材料。目前，还没有比钛合金更好的金属材料用于临床。发达国家和世界知名体内植入物产品供应商都非常重视钛合金的研发工作，推出了一系列新的医用钛合金材料，包括具有生物活性的钛合金仿生材料，在医用钛合金材料的表面处理方面也做了很多专利性的设计与开发，赋予医用钛合金材料更好的生物活性以满足人体的生理需要，从而达到使患者早日康复的目的。世界人口近65亿，据不完全统计，伤残者接近4亿，肢体伤残者6000万，牙病患者20亿，目前生物材料器件植入者仅有3500万人，每年关节置换量约150 万例，与实际需要置换者的数量相差甚远。因此，生物医用材料市场需求潜力巨大。而作为生物医用金属材料的首选——钛及其合金需求也将大增，因此加大医用钛合金材料的研发力度势在必行[1]。 2 生物医用钛及其合金材料的发展历程、最新进展及市场状况生物医用钛及其合金材料的发展与应用经历了4个标志性阶段。 2.1 应用初期 50年代初，首先在英国和美国，商业纯钛被用来制造接骨板、螺钉、髓内钉和髋关节。由于接骨板在手术中需要塑形，以便贴敷断骨的生理解剖形状，所以直到现在，经过特殊加工处理的商业纯钛

(IS05832-2)仍被用来制造接骨板及配套螺钉，如AO骨内固定植入物产品指定制造商——瑞士马特仕公司(Mathys Medical Ltd.， Switzerland)生产的全系列AO钢板及螺钉，这是高强度钛合金所不能替代的。经临床发现，使用商业纯钛制造髓内钉及髋关节存在着明显的强度、刚度不足的问题。为避免内固定植入物的断裂失效，提高植入物的强度，在英、美、俄、日等国，出现了采用高强度Ti-6A1-4V(IS05832-2)合金替代纯钛材料。 2.2 发展阶段

Ti-6A1-4V合金本身也在发展，出现了具有高断裂韧性、低裂纹扩展速率、低间隙元素型Ti-6A1-4VELI高损伤容限钛合金，直到目前占80％以上钛合金植入物产品仍在使用这种合金。虽然Ti-6A1-4V合金具有优异的性能，但由于V 元素可引起恶性组织反应，可能对人体产生毒副作用，因而促使材料学家研究新的不含V的钛合金材料。自80年代，德国和瑞士的生物材料学家先后研制

出Ti-5A1-2.5Fe和Ti-6A1-7Nb合金。这2 种合金中，

Ti-6A1-7Nb(IS05832—11)合金的临床应用更为成功01985年瑞 Sulzer医疗技术公司首先采用锻造Ti-6A1-7Nb-Protasu1100材料制造髋关节柄，并取得准产注册[2]，用于临床，市场反映良好，目前此类产品已被引入中国。瑞士Mathys 公司也采用Ti-6AI-7Nb合金制造非扩髓带锁髓内钉系统(包括胫骨、肱骨、股骨)及用于治疗股骨颈骨骨折的中空螺钉等。 2.3 提高阶段 20世纪90年代以采，在钛合金植入物材料方面，不断有关于A Ⅱ对人体存在潜在危害的报告，认为A1会引起骨质疏松和精神紊乱等病症，所以生物材料学家开始探索与研究不含V、A1的新型生物用钛合金。其中研制成功并已被临床允许采用的合金有Ti-13Nb-13Zr合金(ASTM F1713-1996)、Ti。12Mo- 6Zr- 2Fe 合金 ( ASTM F1813-1997)。 Ti-13Nb-13Zr合金是90年代初由美国科学家研发的低弹性模量、高强度、高韧性、高疲劳强度及良好生物相容性等综合性能良好的生物钛合金。与Ti-6A1-4V 相比，其弹性模量低30％，平面断裂韧性高20％(65MPa.m1／2)；弯曲及剪切模量低 30％-40％，在同种人体模拟体液中腐蚀率低40％。经冷、热加工后，在保持高强度的情况下，模量可下降至50MPa，更接近于人体皮质骨[3]。目前，这种材料被国际知名牙科材料制造商用来制造牙种植体。 Ti-12Mo-6Zr-2Fe 合金也是近年来被国际知名金属内植物制造商推崇的一种生物医用钛合金。这种合金具有较低的弹性模量、高强度、较高的断裂韧性( 90MPa .m1/2)，较好的耐磨性和优异的耐腐蚀性等，是一种综合性能良好的亚稳定p 型生物医用钛合金。与Ti-6A1-4V相比，其弹性模量低25％，材料的柔软性更好，断裂韧性高约80％(90：52)，还具有优异的机械性能：抗拉强度比Ti-6A1-4V高20 ％，抗疲劳强度高47％。全球最大的骨科专业集团公司之一——STRYKER 集团公司的下属公司Stryker Howmedica OSTEONICS(史赛克关节分公司)采用Ti-12Mo-6Zr-2Fe合金 (TMZFR BETA)制造Howmedica Partnership 系统 ( 髋关节假体系统 ) 中的 MeridianTMZF股骨柄，此系统在质量、功能和临床效果方面已达到骨科临床要求的最高标准——顶尖级。Stryker SPINE(史赛克脊柱分公司)还采用TiMoZrFe 合金制造颈椎前路钢板系统(REFLEX Anterior Cervical Hate)。以上2种产品已引进中国市场。 2.4 创新阶段没有创新，就没有进步。近年来，在医用钛合金方面有很多创新成果。 (1)Ni-Ti形状记忆合金(NTSMA)的开发与应用 80年代初期，

Ni-Ti 状记忆合金成功田干骨科临床，引起骨科专家和临床医生的关注，并称之为“神奇金属”。这种功能材料具有奇特的形状记忆效应、超弹性、耐疲劳、耐磨损、耐腐蚀、生物相容性好。它是由56％(质量百分比)的Ni和44 ％(质量百分比)的钛组成。用于骨科临床的NTSMA的变形温度为0℃—5℃，回复温度为37℃左右。用NTSMA材料固定骨折后，在体温或热盐水湿敷下升温而产生形状回复，但骨骼对材料回复产生了限制，这样在骨折断端产生一种动态、持续性质的加压力或钳夹力而达到固定骨折的作用。我国NTSMA材料的基础研究比国外晚，但在临床应用研究方面处于国际领先地位。2000年，在骨科内植入物方面，兰州西脉记忆合金股份有限公司，取得国家药品监督管理局的产品准产注册，促进了 NTSMA 骨科内植物的临床应用。目前，我国已有3家企业注册生产NTSMA骨内固定装置，主要有骑缝钉、聚髌器、环抱钢板、Ni-Ti 弓形记忆加压接骨器、髓内钉等产品[4]。 NTSMA还被用在介入性治疗上。介入性治疗是近10 年发展快速的一种先进非手术诊疗临床技术。这种技术通常是在X射线图像监视下，利用穿刺插管技术，将特制的导线、导管、球囊或