生物医用钛合金材料的生物及力学相容性_于振涛

于振涛☆，男，1964 年生， 山东省泰安市人，汉族， 2000 年西安交通大学毕 业，博士，教授，博士生 导师，主要从事医用金属 材料方面的研究。 yzt@c-nin.com
通讯作者：于振涛，博士， 教授，博士生导师，西北 有色金属研究院生物材料 研究所所长，西北有色金 属研究院，陕西省西安市 710016
结果与结论：生物及力学相容性是一个综合评价概念。进行医用钛合金材料选型设计时，首先要求合 金中的组成元素无不良反应，并保证其与组织、血液及免疫和全身反应的安全性，同时要求所添加元 素对钛合金的机械性能等其他性能不良影响最小。钛合金中常见的合金化元素主要包括 α 相稳定元 素、β 相稳定元素和中性元素 3 类。要使生物医用钛合金植入材料获得优良的生物及力学相容性，对 材料内部显微组织和相变进行控制，以及开展材料表面状态改性优化也至关重要。但不能单纯追求一 种钛合金的低模量或高强度等某一单项力学指标与人体骨组织接近或匹配而简单判定其生物力学相 容性的优劣。
医用钛合金的发展史和临床应用反馈结果充分表明：生物医用钛合金材料的研究重 点和难点仍然是生物相容性、力学相容性和体内安全性问题。生物机体是一个复杂的环 境，植入体内的材料长期处于物理、化学、生物、电、机械等因素的复杂环境影响之中， 不仅受到组织不停运动的动态作用，也处于代谢的反应之中。任何植入物不应使人体组 织中的细胞、血液及各种器官之间发生化学变化，以及过敏和炎症反应，或出现人体对 植入物产生异物排斥反应等。与此同时，作为外科植入件还要求植入的医用材料在长期 生理环境中具有良好的力学相容性，即具有足够的强度、韧性和适当的弹性模量，以及 高度的稳定性(耐蚀、耐磨)和持久的耐用性(疲劳和断裂)等。生物医用钛合金材料是一个 综合交叉领域，相关研究广泛涉及材料、物理、化学、生物、医学及先进电子显微影像 与生化分析等多学科，主要研究方向包括医用钛合金材料的合金设计与评价体系，材料 的加工-组织-性能关系与人体软、硬组织的相容性匹配，材料的表面改性(生物相容性、 生物功能性、生物活性、耐磨性、耐蚀性等)及其表面(界面)与人体组织的相互作用规律 等。其中，生物医用钛合金材料的生物相容性及力学相容性研究至关重要，这是确保钛
3 临床应用的意义：要使生物医用钛合金植入材料获得优良的生物及力学相容性，对材料内部显微组织 和相变进行控制，以及开展材料表面状态改性优化也至关重要，且不能单纯追求一种钛合金的低模量或 高强度等某一单项力学指标与人体骨组织接近或匹配而简单判定其生物力学相容性的优劣。
关键词：
生物材料；生物材料综述；钛合金材料；生物医用金属材料；外科植入物及矫形器械；生物相容性；力 学相容性；863 项目
Key Words: biomaterials; biomaterial review; titanium alloy materials; biomedical metal materials; orthopedic implants and devices; biocompatibility; mechanical compatibility; National “863” Project of China
RESULTS AND CONCLUSION: It is a comprehensive evaluation for biomechanical compatibility. To design biomedical titanium alloys, first, there should be no toxic alloy elements to ensure the safety in the reaction with the tissue, blood, immune system and whole body; second, it is also required that added elements should have the minimum adverse effects on the mechanical properties and other performance of titanium alloys. Common alloy elements in titanium alloys include α-phase stable element, β-phase stable element, and neutral element. It is important for better biomechanical compatibility of biomedical titanium alloys to control microstructure and phase transitions and even carry out surface modification. But we cannot simply pursue the low modulus and high strength of a titanium alloy that is close or matching the human bone tissue, by which, we adjust the pros and cons of the biomechanical compatibility.
Received: 2012-12-01 Accepted: 2013-03-22
OBJECTIVE: To preliminarily analyze the concept and intension of biomechanical compatibility of biomedical titanium alloys in order to direct the designing and applying of medical devices.
摘要
背景：保证生物材料优良的生物及力学相容性是研制开发外科植入物及矫形器械产品的关键，但目前对 其研究缺乏系统性和统一性认识。
目的：初步分析生物医用钛合金材料生物及力学相容性的概念、内涵，指导医疗器械产品的选型设计与 应用。
方法：应用计算机检索 PubMed、Elsiver、Springerlink、CNKI 及维普等数据库 1995 至 2012 年相关 文献，围绕“生物及力学相容性”主题词，探讨合金成分、显微组织及相变控制和材料表面状态优化等 因素对钛合金材料生物及力学相容性的影响规律。
Abstract BACKGROUND: Biomechanical compatibility is the key factor for the research and development of surgical implants and orthopedic devices. But the present research lacks systematic and common knowledge.
0 引言
生物医用钛合金材料是用于诊断、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医用载体材料，是材料科学技术中一个正在发展的新领 域，并已成为人工关节、骨创伤产品、人工牙种植体等硬组织替代或修复医疗器械产品 的优选材料[1-3]。金属材料是人类生物医学发展史上最早用于创伤修复和矫形治疗的传统 材料。从20世纪30年代开始，CoCr合金、不锈钢曾先后被用于医学领域并成为目前传 统的医用金属材料。20世纪40年代，英、美等国最先尝试纯钛的医学研究并证实了其临 床可行性；20世纪70年代后期，以航空应用为背景的Ti6A14V钛合金被应用到医学领域； 20世纪80年代末期，新型Ti6Al7Nb和Ti5Al2.5Fe改良成功；20世纪90年代开始，以美国 为主开始研究Ti13Nb13Zr、Ti12Mo6Zr2Fe(TMZF)等新型β型钛合金并成为全球生物医 用钛合金材料的研究热点和主攻方向[1-2]。
中图分类号:R318 文献标识码:A 文章编号:2095-4344 (2013)25-04707-08
收稿日期：2012-12-01 修回日期：2013-03-22 (20120814006/GW·W)
Biological and mechanical compatibility of biomedical titanium alloy materials
Yu Zhen-tao1, Han Jian-ye1, Ma Xi-qun1, Yu Sen1, Zhang Ming-hua2, Zhang Yu-sheng1
1 Northwest Institute for Non-ferrous Metal Research, Xi’an 710016, Shaanxi Province, China 2 Tangdu Hospital, the Fourth Military Medical University of PLA, Xi’an 710038, Shaanxi Province, China
Yu ZT, Han JY, Ma XQ, Yu S, Zhang MH, Zhang YS. Biological and mechanical compatibility of biomedical titanium alloy materials. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2013;17(25): 4707-4714.
METHODS: A computer-based search was performed for articles related to biomechanical compatibility in PubMed, Elsiver, SpringerLink, CNKI and VIP databases (1995-2012) to investigate the effects of alloy elements, microstructure and its phase transformation, and surface modification on the biomechanical compatibility of titanium alloys.
1 西北有色金属研究院，陕西省西安市 710016 2 解放军第四军医大学附属唐都医院，陕西省西安市 710038
文章亮点：
1 此问题的已知信息：目前对医用钛合金的生物及力学相容性缺乏系统研究和较为统一的认识。
2 文章增加的新信息：初步分析了生物医用钛合金材料的生物及力学相容性的概念、内涵，并探讨了合 金成分、显微组织及相变控制和材料表面状态优化等因素对钛合金材料生物及力学相容性的影响规律。
Corresponding author: Yu Zhen-tao, Northwest Institute for Non-ferrous Metal Research, Xi’an 710016, Shaanxi Province, China
Supported by: the National “863” Project of China, No. 2011AA030101*; the National “973” Project of China, 2012CB619102*; National Key Technology R&D Program of China, No. 2012BAI18B02*
ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH
4707
Байду номын сангаас
于振涛，等. 生物医用钛合金材料的生物及力学相容性
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Yu Zhen-tao☆, M.D., Professor, Doctoral supervisor, Northwest Institute for Non-ferrous Metal Research, Xi’an 710016, Shaanxi Province, China yzt@c-nin.com
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于振涛，韩建业，麻西群，余森，张明华，张于胜. 生物医用钛合金材料的生物及力学相容性[J].中国组织工程研究，2013，17(25):4707-4714.
生物医用钛合金材料的生物及力学相容性***☆
于振涛1，韩建业1，麻西群1，余 森1，张明华2，张于胜1
中国组织工程研究 第 17 卷 第 25 期 2013–06–18 出版 Chinese Journal of Tissue Engineering Research June 18, 2013 Vol.17, No.25
www.CRTER.org
doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.25.020