關鍵詞：鈦及鈦合金加工材、人體植入物、生產、標準、應用。
一、前言
金屬材料作為生物醫用功能材料是材料科學的一個重要分支，用于人體植入物的歷史已有400余年。英國較早的使用了純金板修補顱骨、鑲牙，其后陸續使用了銀、鐵片、鐵絲及鐵基合金的固定骨折關節件。1930年以后，英國、美國使用鈷基合金作為人體植入物。第二次世界大戰期間，英國、美國和日本等國家使用了大量的不銹鋼作為人體植入物。20世紀五十年代初，隨著稀有金屬工業的發展，加工態和鑄態的鈦、鈮、鋯作為人體植入物用于臨床實驗。
1958年，上海第一醫學院華山醫院用牙托粉和不銹鋼髓內釘制成的人造股骨頭治療風濕髖關節強直病人，1959—1960年，使用鎳鉻不銹鋼制造的人造股骨頭治療陳舊性股骨脛骨折和股骨頭壞死的病人。在臨床治療中發現牙托粉和不銹鋼髓內釘在結合處有折斷跡象。1972年起，開始采用了國產鈦及鈦合金制品，北京積水潭醫院、上海第六人民醫院、天津醫院、中國人民解放軍總醫院、西安第二軍醫大附屬醫院、沈陽骨科醫院等二十多家醫院，先后采用鈦及鈦合金人造骨頭與關節用于臨床治療應用和研究，制造的髖關節（包括股骨頭）、肘關節、掌指關節、指間關節、人造椎體和下頜骨等用于臨床治療病人，經過三年多的跟蹤觀察認為效果滿意，指出在人體承受力小的地方換接骨可以使用純鈦，在人體下肢因為負重大，關節活動量大，采用Ti-6Al-4V合金是最理想的。同時，華山醫院與上海冶金研究所的模擬人體體液的浸泡實驗，電化學陽極化實驗和腐蝕動力學曲線的測定，證明了鈦及鈦合金人造骨頭與關節用于人體具有優異的耐腐蝕性，生物學反應也很小，是一種理想的人體植入物。復旦大學生物系人類生理學研究組與上海第六人民醫院對植入人體骨頭與關節進行力學性能測定，認為鈦及鈦合金的強度滿足了人體植入物的要求。
世界各國的相關研究和大量的臨床治療實例，從深度和廣度上認可鈦及鈦合金是迄今為止最理想的人體植入物金屬材料，被當今醫療外科業列為續不銹鋼、鈷基合金之后崛起的第三代金屬。
20世紀八十年代中期以后，國產鈦及鈦合金加工材用于制造人體植入物的數量增加，其中鈦形狀記憶合金的開發與應用達到國際先進水平。到了九十年代中期，國產鈦及鈦合金加工材，在矯形外科、神經外科、心血管系統、口腔頜面外科、人體外培養機等方面廣泛應用。1998年，天津市醫療器械工業公司骨科器械二廠首家取得國家醫藥管理局頒發的〈鈦質接骨板〉和〈鈦質接骨螺釘〉的試產注冊，成為鈦植入物生產企業。近5年，又有天津市威曼生物材料有限公司、北京奧斯比利克新技術有限公司等一批企業成為鈦及不銹鋼等人體植入物生產企業。采用鈦及鈦合金制造的股骨頭、髖關節、肱骨、顱骨、膝關節、肘關節、肩關節、掌指關節、頜骨以及心辨膜、腎辨膜、血管擴張器、夾板、假體、緊固螺釘等上百種金屬件移植到人體中，取得了良好的效果，被醫學界給予了很高的評價。
我公司創業開始，把生產醫用型鈦及鈦合金加工材定位為主導產品，從技術裝備上努力向專業化生產方向發展。為了滿足顧客對醫用型鈦材產品質量的要求，公司強化了質量控制點工作，不斷提升管理水平。于2004年9月1日審核通過了ISO9001：2000標準認證，頒發《質量管理體系證證書》，2005年12月9日審核通過并頒發了《全國工業產品生產許可證》。“兩證”的運行使公司向顧客和第三方證實了公司滿足要求的實力水平。
二、材料生產
醫用型鈦及鈦合金的生產，其冶煉與加工具有工藝流程長、設備多、工藝復雜、技術難度大、產品批量小、品種規格多、質量要求高和成本高于一般常用鈦及鈦合金材料等特點，加工材產品大類品種有鍛件、異型鍛件、餅、環、棒、管、板、帶、箔、絲等。
生物醫用型鈦及鈦合金加工材的專業化生產設計實施的生產工藝流程一般如下圖所示：
坯料 檢驗 加熱 變形加工 熱處理 精整 檢驗 成品發貨
鈦錠 化學成分 重油爐 鍛造 退火 規園 成品檢驗
坯料 反射爐 軋制 消除應力退火 矯直
電阻爐 拔制 機械加工
擠壓 表面檢查
不合格品處置
三、執行標準
為了保障人體植入物用鈦及鈦合金材料的質量，確保患者人身的安全，在研究大量臨床應用的基礎上，國外建立了一系列外科植入物用鈦及鈦合金加工材的標準。20世紀九十年代初，美國、英國的標準經過完善和修訂，納入國際標準化組織（ISO）《外科植入物—金屬材料—純鈦材加工》和《外科植入物—金屬材料—Ti-6Al-4V合金加工材》。
中國在這方面的工作起步較晚。1989年，由寶雞有色金屬加工廠負責，上海手術器械六廠和天津醫療器械檢測中心為協作單位，在廣泛收集國外標準的基礎上，編制了中國第一個標準《外科植入物用TC4鈦合金加工材》。于1990年11月通過專家審核，正式實施標準號為GB/T13810-1992，經過完善和修訂，成為現在實施的標準《外科植入物用鈦及鈦合金加工材》，標準號為GB/T13810-1997。其技術內容上等效美國ASTM、英國BS和ISO的相關標準。規定的檢測項目有鈦及鈦合金的化學成分、力學性能、工藝性能、尺寸偏差、顯微組織和質量保證等基本一致。
公司目前按以下標準組織生產 表1
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標準名稱 |
標準號 |
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外科植入物用鈦及鈦合金加工材 |
GB/T13810-1997 等效ISO5832-2-1993 ISO5832-3-1996 |
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出口用鈦及鈦合金棒材 |
N/BS INT-2005-B 對應ASTM B348-2000 |
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出口用6Al-4V ELL鈦合金棒材 |
N/BS INT-2005-A 對應ASTM F136-98 |
四、應用基礎
人體植入物是與人的生命和健康密切相關的特殊的功能材料。同其它金屬材料相比較，使用鈦及鈦合金的優勢主要有六點：
1 質輕
鈦及鈦合金的密度，20℃時為4.5克/厘米3，僅為不銹鋼的56%。植入人體內大幅度減輕了人體的負荷量，作為醫療器械也減輕了醫務人員操作負荷。
2 彈性模量低
鈦及鈦合金的彈性模量低，純鈦為10850公斤力/毫米2 ，僅為不銹鋼的53%，
植入人體內與人體自然骨更接近，有利于接骨，能夠減少骨頭對植入物的應力屏蔽效應。
3 無磁性
鈦及鈦合金是無磁性金屬，不受電磁場和雷雨天氣的影響，這有利于使用后的人體安全。
4 無毒性
鈦及鈦合金的無毒性，作為植入物對人體無毒副作用。.
5 抗腐蝕性
鈦及鈦合金被稱為是生物惰性金屬材料，對人體血液的浸泡環境中具有優異的耐腐蝕性能，保證了與人體血液及細胞組織的相容性好，作為植入物不產生人體污染，不會發生過敏反應，這是鈦及鈦合金應用的基礎條件。
在人體植入物用鈦及鈦合金表面進行陽極氧化著色處理，提高了植入物件在人體條件下的耐磨性、耐蝕性和循環疲勞抗力，也在很大程度上解決了金屬離子溶出問題，提高了植入物的相溶性。同時也可以作為不同規格制品的標識，方便了手術操作。
6 強度高、韌性好
因外傷、腫瘤等因素導致骨、關節損害，為建立穩固的骨支架，必須借助弧型板、螺絲釘、人造骨及關節等，這些植入物要長期留置于人體內，會受到人體的彎曲、扭轉、擠壓、肌肉收縮力等作用，要求植入物具有高的強度和韌性。研究與臨床實例證明，在人體受力小的部位可以用純鈦，在人體受力大的部位可以用Ti-6Al-4V合金，完全可以滿足人體植入物的要求。
鈦及鈦合金具有優異的使用特性，被世界公認是生物醫療領域中優異的金屬材料，同使用不銹鋼、鈷基合金等金屬材料相比較，具有較大的應用優勢，發展空間很大。依據對采用鈦及鈦合金制造人體植入物廠家的調查，在表2和表3中列出了鈦及鈦合金材料制造的外科植入物名稱。
某公司生產醫用植入物鈦及鈦合金制品 表2
某公司生產醫用植入物鈦及鈦合金制品 表3
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序 號 |
制 品 名 稱 |
序 號 |
制 品 名 稱 |
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1 |
股骨假肢 |
8 |
股骨上端代替因截骨而缺損的 |
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2 |
股骨柄系列 |
9 |
股骨軸心式膝關節假體 |
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3 |
全髖金屬杯 |
10 |
脛骨軸心式膝關節假體 |
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4 |
全髖金屬翼杯 |
11 |
鉸鏈式膝關節假體 |
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5 |
半髖雙動臼杯系統 |
12 |
股脛骨鉸鏈式膝關節假體 |
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6 |
全髖臼杯系統 |
13 |
表面式膝關節假體 |
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7 |
防脫位全髖臼系列 |
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五、研究開發
不斷有報導提出，金屬材料受到與其接觸的液體、有機分子、酶、自由基、細胞等影響，發生了腐蝕，使金屬離子向周圍擴散而導致毒性作用，同時金屬材料自身的降解產物也會改變鄰近液體的PH值與成分組成，進而導致植入物性質蛻變并失效。這些問題是必須要解決的。
研究和臨床試用結果表明，醫用型鈦及鈦合金材料作為人體植入物解決了上述問題，得到推廣使用，據報導，世界上每年有近千噸醫用型鈦及鈦合金材料用于制造人體植入物，其中80%是Ti-6Al-4V鈦合金。
隨著醫用型Ti-6Al-4V鈦合金應用發展，開發出具有高斷裂韌性，低裂紋擴展的低間隙元素型Ti-6Al-4V ELI鈦合金。但是，醫學界專家又提出擔心鋁、釩金屬元素對人體有潛在的毒性危害作用。針對這種可能危害作用，材料學界專家積極開發無鋁、釩的新型鈦合金，如：Ti-13Nb-13Zr鈦合金（ASTM F1713-1996）、Ti-12Nb-6Zr-2Fe鈦合金（ASTM F1813-1996）、Ti-5Al-2.5Fe鈦合金、Ti-6Al-7Nb鈦合金等，并在臨床使用，其中Ti-5Al-2.5Fe鈦合金和Ti-6Al-7Nb鈦合金的應用更為成功。
相關的研究和臨床使用，從深度和廣度上認可了使用鈦及鈦合金作為人體植入物。同時還未證明Ti-6Al-4V鈦合金制品在人體中的危害作用，從綜合性能上、良好的變形加工上與價格定位上看，仍然是至今為止最理想的人體植入物金屬材料。
六、市場趨勢
據有關資料介紹，金屬材料作為人體植入物的用量逐漸增加。1990年以后，僅美國每年用于人體植入金屬件達到200萬件以上，其中髓關節、股骨件占2.5%；歐洲市場對骨折外固定產品和內固定產品的供需兩旺，以法國、德國、意大利和英國為主，2004年市場價值達到2.8億美金，其中內固定產品占85.7%。近10年來，生物醫用材料及制品的市場增長率一直保持在20%-25%，預測未來10年-15年，包括生物醫用材料在內的醫療器械產業化發展快，將達到規模經濟，成為世界經濟的支柱產業。
醫用鈦及鈦合金材料的優勢已經被醫學界認可，也被越來越多的患者接受，考慮到戰爭的因素、運動創傷的因素和人民生活水平提高的因素等，首選鈦及鈦合金作為人體植入物的增長空間很大，勢必成為鈦應用發展中新的經濟增長點。
七、結束語
國產醫用型鈦及鈦合金材料，在研究、生產工藝技術、產品標準、市場開發和推廣使用等方面，近10年來有了較大的進展。作為人體植入物的創造業逐漸成為用鈦材的支柱產業。該行業的特點是需求產品牌號少，標準嚴格，品種規格多，一次性訂貨量小，產品質量要求高，成本高，產品市場大。所以，關注和推動該行業的發展，對造福于人民和促進國產鈦材生產具有重大意義。