生物医用钛基多孔材料

生物医用钛基多孔材料

摘要：医用多孔钛材料由于能提高材料的骨引导作用，有利于骨组织的长入促进骨性结合而在临床上得到了越来越广泛的应用。本文对多孔钛材料在骨替代应用，以及多孔钛人工骨制备，改性等方面进行综述，对其未来研究方向进行探讨，并且进行了市场分析及预测。

关键字：多孔钛人工骨表面制备表面改性

0.钛基多孔材料概述

近年来金属多孔材料的开发和应用日益受到人们的关注。金属多孔材料具备优异的物理性能, 如密度小、刚度大、比表面积大、吸能减振性能好、消音降噪效果好、电磁屏蔽性能高，使其应用领域扩展到航空、电子、医用材料及生物化学等方面。非铝基组成金属多孔材料是近年来新兴的一个研究热点，主要包括钛、镍和镁等金属及其合金。其中，钛基多孔材料具有低密度、高比强度、较宽的工作温度范围、良好的耐腐蚀性、耐高温性，良好的渗透性。钛基多孔及材料能够减轻材料的重量而具有一定的强度，同时还有优异的生物相容性和生物粘附性。因此，钛基多孔材料在生物医学工程有很好的发展前景。

钛多孔材料凭借其优良的综合性能，且具有生物材料所具有的良好力学性能、生物相容性及好的腐蚀抗力，被认为是目前最有吸引力的金属生物材料之一，是人工关节（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、人工心脏瓣膜、介人性心血管支架等，医用内植入物产品的首选材料。多孔钛材料具有开放多孔状结构，允许新骨细胞组织在内生长及体液的传输，多孔立体结构能促进成骨细胞在钛种植材料表面和孔隙中的生长，新的骨组织在植入物孔内生长形成交错连锁的连接，能够加强植入物与自体骨的连接强度，并且其强度及杨氏模量可以通过对孔隙率的调整同自然骨相匹配，因此是较为理想的生物医学植入材料[1]。生物医用多孔钛按材料不同大致可以分为多孔纯钛、多孔钛合金和多孔镍钛形状记忆合金，均已广泛应用于临床。

1.多孔钛的国内外研究状况[2]

钛作为生物医用材料也是在上个世纪五十年代才开始的事情。多孔钛及其合金作为生物医用的发展可分为三个时代：第一个时代以纯钛和Ｔｉ-６Ａ１-４Ｖ合金为代表；第二个时代是以Ｔｉ-６Ａ１-7Nb合金（瑞士）和Ｔｉ-５Ａ１-２．５Ｆｅ合金（德国）为代表的新型合金；第三个时代则是一个开发与研制更好生物相容性和更低弹性模量的新型多孔钛的时代。随着医用钛合金的进一步发展，出现了多孔纯钛及多孔钛合金的医用材料，其中多孔钛合金中Ni- Ti居多。这些多孔金属材料具有生物活性好，能促进新生骨通过微孔在支架快速生长，骨生长细胞和营养渗透到相互连接的微孔加速了骨整合。

1.1国外研究状况

最早将纯钛用作医用植入材料是在上世纪五十年代，１９５７年Ｌｅｖｅｎｔｈａｌ报道了用纯钛制造骨板和螺钉。当时认为它的力学性能可以接受，耐腐蚀性能良好，植入后的组织反应比较小，因此可以采用。接着，１９６１年Ｓｙｍｐｓｏｎ使用钛板做脑外科手术。后来在英国和美国一些人用商业纯钦制作外科植入用的骨板、螺钉和骨钉等。从临床试用经验来看，这种材料具有优良的耐腐蚀性能，微小的组织反应。１９７２年北京有色金属研究总院开始研制并锻造加工纯钛人工股骨头，１９７７年在人体中进行了钛人工股骨头置换手术，１９９９年进行随诊观察发现２２年后疗效良好。目前使用纯钛植入件的临床经验比较成熟。Ｔｉ-６Ａ１-４Ｖ合金最初是为航天材料设计开发出来的，最早仅用作结构材料，其性能优良，具有较高的强度和较好的机械加工性能，但是耐磨性较差。后来美国、英国和前苏联首先将Ｔｉ-６ＡＩ-４Ｖ合金用作医用植入材料，当时Ｔｉ-６Ａ１-４Ｖ合金具有所有植入人体金属的最佳结合性能，７０年代后期被广泛用作外科修复材料，如髓关节，膝关节等。１９７６年，Ｌａｉｎｇ在对多种金属植入材料的组织反应进行了系统的研究后指出，Ｔｉ-６Ａ１-４Ｖ钛合金植入件及纯钛植入件的组织反应都是微小的，而对于不锈钢植入件中，多数都可以发现肉眼看得见的腐蚀痕迹。20世纪80年代初期，Ni—Ti形状记忆合金成功地在骨科领域用于临床，引起骨科专家和临床医生的关注。这种功能材料具有形状记忆效应、超弹性、耐疲劳、耐磨损、耐腐蚀、生物相容性好。后来基于

多孔钛及钛合金的医用材料开始有了大的发展。现在对医用多孔钛钛及钛合金材料研究热点主要集中在对它们的表面改性上，使其拥有更好的生物沿陛，提高其整合效率。

1.2我国研究状况

自80年代中期以来，我国在医疗植入物方面，对镍钛形状记忆合金的临床与应用研究属国际先进水平，上海钢铁研究总院、天津市冶金材料研究所及北京有色金属研究总院稀有金属研究所联合当地的医疗专家和教授开发了很多医疗植入物产品。如环抱钢板、髌骨爪、骑缝钉、髓内钉、人工关节、牙弓丝等产品。但直到2000年首例镍钛形状记忆合金才获得国家医药管理局准产注册。

我国虽然钛储量丰富，但在医用钛方面却相对滞后。无论在科研、设备、技术、工艺，还是在应用方面都无法与欧、美国家相比。1998年，天津市医疗器械工业公司骨科器械二厂，首家取得国家医药管理局颁发的“钛质接骨板”、“钛质接骨螺钉”的试产注册，成为国内第一家钛植入物生产企业。该企业当年取得了很好的经济效益。在以后几年，多孔钛植入物像雨后春笋般被国内医疗器械生产企业所生产。但多孔钛在具体使用过程中也发生了很多问题，如植入物疲劳折

关系。目前，多孔钛正广泛应用于国内医疗植入，即骨替代，骨修复中。

2.研究目的及意义

2.1研究目的

人类已进入了老龄化社会，越来越多的人患有关节骨病。由于损伤或病变造成组织重大切除时，只有借助于移植才能保证痊愈，利用取自患者的不同部位的自移植骨、或受他人捐献的骨进行治疗，不但材料来源有限，如果是自移植的话，切去部位还需要多步的外科手术处理，而且还有感染的危险。众多因素促成了对人工硬组织替换材料的需求，如果将体内植入物计算在内，多孔钛材料在发达国家的年需求增长率已达到7%。

多孔钛及钛合金以其优良的生物安全性、极佳的耐腐蚀性以及适宜的力学性能已成为主要的硬组织替代材料。临床发现，骨的结构和多孔钛相似，多孔钛结