[摘要]純鈦及其合金以其與骨相近似的彈性模量、良好的生物相容性及在生物環(huán)境下優(yōu)良的抗腐蝕性等在臨床上得到了越來越廣泛的應(yīng)用&綜述了醫(yī)用鈦合金的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，闡述了鈦的生物相容性原理，同時(shí)簡(jiǎn)單評(píng)述了鈦及其合金表面改性與鈦基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀&分析表明：純鈦及其合金具有出色的生物相容性主要?dú)w功于表面附著的氧化層；β型鈦合金與β型鈦合金相比，具有較高的耐磨性，是一種很有前途的外科植入用鈦合金；尋求更為理想的表面改性工藝從而獲得高質(zhì)量的涂層，或?qū)⑸锘钚韵嗵砑舆M(jìn)鈦合金基體中制備成復(fù)合材料是提高醫(yī)用鈦合金生物活性的兩種有效途徑。

　　[關(guān)鍵詞]醫(yī)用鈦合金；發(fā)展和研究現(xiàn)狀；生物相容性；表面改性；復(fù)合材料

　　鈦是周期表中第ⅣB類元素，外觀似鋼，熔點(diǎn)達(dá)1672℃，屬難熔金屬。鈦在地殼中含量較豐富，遠(yuǎn)高于Cu、Zn、Sn、Pb等常見金屬。我國鈦的資源極為豐富，僅四川攀枝花地區(qū)發(fā)現(xiàn)的特大型釩鈦磁鐵礦中，伴生鈦金屬儲(chǔ)量約達(dá)4.2億噸。[1]純鈦機(jī)械性能強(qiáng)，可塑性好，易于加工，如有雜質(zhì)，特別是0、N、C等元素存在，會(huì)提高鈦的強(qiáng)度和硬度，但會(huì)降低其塑性，增加脆性。

　　鈦是容易鈍化的金屬，且在含氧環(huán)境中，其鈍化膜在受到破壞后還能自行愈合。因此，鈦對(duì)空氣、水和若干腐蝕介質(zhì)都是穩(wěn)定的。鈦和鈦合金有優(yōu)異的耐蝕性，只能被氫氟酸和中等濃度的強(qiáng)堿溶液所侵蝕。特別是鈦對(duì)海水很穩(wěn)定，將鈦或鈦合金放入海水中數(shù)年，取出后，仍光亮如初，遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼。

　　鈦的另一重要特性是密度小。其強(qiáng)度是不銹鋼的3.5倍，鋁合金的1.3倍，是目前所有工業(yè)金屬材料中最高的。

　　液態(tài)的鈦幾乎能溶解所有的金屬，形成固溶體或金屬化合物等各種合金。合金元素如A1、V、Zr、Sn、Si、Mo和Mn等的加入，可改善鈦的性能，以適應(yīng)不同部門的需要。由于上述優(yōu)異性能，鈦享有“未來的金屬”的美稱，鈦合金已廣泛用于國民經(jīng)濟(jì)各部門，它是火箭、導(dǎo)彈和航天飛機(jī)不可缺少的材料。船舶、化工、電子器件和通訊設(shè)備以及若干輕工業(yè)部門中要大量應(yīng)用鈦合金。鈦無毒，質(zhì)輕，比強(qiáng)度高且具有相當(dāng)優(yōu)秀的醫(yī)學(xué)相容性使得其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。鈦合金常常被用作生物醫(yī)學(xué)材料主要用來修復(fù)骨骼、關(guān)節(jié)、牙齒以及血管等。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域鈦合金主要用于制造植入人體內(nèi)的醫(yī)療器件、假體或人工器官和輔助治療設(shè)備的鈦合金。主要有鈦6鋁4釩、5鋁2.5錫等。它們具有比強(qiáng)度高、力學(xué)性質(zhì)接近人骨，強(qiáng)度遠(yuǎn)優(yōu)于純鈦，還具有耐疲勞、耐腐蝕及生物相容性優(yōu)良等特點(diǎn)。廣泛用于各種人工關(guān)節(jié)人工骨、骨固定器件、義齒、齒科嵌、固定橋等。

　　一、鈦合金的特點(diǎn)分析

　　（一）質(zhì)輕

　　鈦及鈦合金的密度，20℃時(shí)為4.5克/厘米3，僅為不銹鋼的56%。植入人體內(nèi)大幅度減輕了人體的負(fù)荷量，作為醫(yī)療器械也減輕了醫(yī)務(wù)人員操作負(fù)荷。

　　（二）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(nèi)與人體自然骨更接近，有利于接骨，能夠減少骨頭對(duì)植入物的應(yīng)力屏蔽效應(yīng)。

　　（三）無磁性

　　鈦及鈦合金是無磁性金屬，不受電磁場(chǎng)和雷雨天氣的影響，這有利于使用后的人體安全。

　　（四）無毒性

　　鈦及鈦合金的無毒性，作為植入物對(duì)人體無毒副作用。

　　（五）抗腐蝕性

　　鈦及鈦合金被稱為是生物惰性金屬材料，對(duì)人體血液的浸泡環(huán)境中具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，保證了與人體血液及細(xì)胞組織的相容性好，作為植入物不產(chǎn)生人體污染，不會(huì)發(fā)生過敏反應(yīng)，這是鈦及鈦合金應(yīng)用的基礎(chǔ)條件。

　　在人體植入物用鈦及鈦合金表面進(jìn)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(huán)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(shí)也可以作為不同規(guī)格制品的標(biāo)識(shí)，方便了手術(shù)操作。

　　（六）強(qiáng)度高、韌性好

　　因外傷、腫瘤等因素導(dǎo)致骨、關(guān)節(jié)損害，為建立穩(wěn)固的骨支架，必須借助弧型板、螺絲釘、人造骨及關(guān)節(jié)等，這些植入物要長期留置于人體內(nèi)，會(huì)受到人體的彎曲、扭轉(zhuǎn)、擠壓、肌肉收縮力等作用，要求植入物具有高的強(qiáng)度和韌性。研究與臨床實(shí)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Ti6Al4V合金，完全可以滿足人體植入物的要求。

　　二、醫(yī)用鈦合金的發(fā)展

　　鈦及其合金的發(fā)展可分為三個(gè)時(shí)代，第一個(gè)時(shí)代以純鈦和Ti6Al4V為代表，第二個(gè)時(shí)代是以Ti5AlFe為代表新型合金，第三個(gè)時(shí)代則是一個(gè)開發(fā)與研制更好生物相容性和更低彈性模量鈦合金的時(shí)代，其中以對(duì)α+β鈦合金的研究最為廣泛。目前，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中廣泛使用的仍是Ti6Al4v ELI合金。但后者會(huì)析出極微量的釩和鋁離子，降低了其細(xì)胞適應(yīng)性且有可能對(duì)人體造成危害，這一問題早已引起醫(yī)學(xué)界的廣泛關(guān)注。美國早在20世紀(jì)80年代中期便開始研制無鋁、無釩、具有生物相容性的鈦合金，將其用于矯形術(shù)。日本、英國等也在該方面做了大量的研究工作，并取得一些新的進(jìn)展。與α+β鈦合金相比，β鈦合金具有更高的強(qiáng)度水乎，以及更好的切口性能和韌性，更適于作為植入物植入人體。在美國，已有5種β鈦合金被推薦至醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。估計(jì)在不久的將來，此類具有高強(qiáng)度、低彈性模量以及優(yōu)異成形性和抗腐蝕性能的廬鈦合金很有可能取代目前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中廣泛使用的Ti6Al4V ELI合金。

　　三、鈦的生物相容性原理

　　生物相容性指材料在機(jī)體的特定部位引起恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Standards Organization，ISO）會(huì)議的解釋，生物相容性是指生命體組織對(duì)非活性材料產(chǎn)生反應(yīng)的一種性能，一般是指材料與宿主之間的相容性。生物材料植入人體后，對(duì)特定的生物組織環(huán)境產(chǎn)生影響和作用，生物組織對(duì)生物材料也會(huì)產(chǎn)生影響和作用，兩者的循環(huán)作用一直持續(xù)，直到達(dá)到平衡或者植入物被去除。生物相容性是生物材料研究中始終貫穿的主題。 　　純鈦及其合金具有出色的生物相容性主要?dú)w功于表面附著的氧化層%鈦表面氧化層的主要優(yōu)點(diǎn)是：二氧化鈦具有較低的固有毒性；二氧化鈦在水中的溶解度很低；四價(jià)鈦與生物分子的反應(yīng)活性很低，接近化學(xué)惰性；&過氧化物化學(xué)現(xiàn)象具有明顯的抗炎作用。

　　四、鈦合金在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

　　（一）人造髖關(guān)節(jié)

　　人造髖關(guān)節(jié)，人造關(guān)節(jié)的一種，仿照人體髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)。指從大腿骨上端插進(jìn)金屬桿，桿頂有一個(gè)金屬球，能代替股骨頂部。在髖骨窩中粘牢一個(gè)塑料臼，金屬球就嵌在臼內(nèi)。如今已有成千上萬病人裝上這種關(guān)節(jié)。目前最常用做髖關(guān)節(jié)的金屬材料是鈦合金材料。鈦合金產(chǎn)品毛坯采用熱等靜壓的加工方法。鈷鉻鉬合金采用鑄造的加工方法，不銹鋼采用鍛造的加工方法，后經(jīng)機(jī)加工成型，并經(jīng)過表面處理而成。

　　（二）鈦合金烤瓷牙

　　它主要是指介于貴金屬烤瓷牙和鎳鉻合金烤瓷牙之間的烤瓷牙材料，此種瓷牙從嚴(yán)格意義上來說，保證人體親和性好，而且此種材料是比較適合人體健康的要求，其使用壽命會(huì)大大超出人們的想象，從理論上來講，只要注意正確用牙，使用壽命都是終生的。它的優(yōu)點(diǎn)是鈦合金與陶瓷的結(jié)合力很好，鈦合金烤瓷牙具有不易崩瓷、經(jīng)久耐用的特點(diǎn)，鈦合金的生物相容性好，通常不會(huì)引起周圍組織變色。而它的缺點(diǎn)是：鈦合金烤瓷冠內(nèi)冠呈灰金屬色，鈦合金烤瓷冠修復(fù)后會(huì)在特殊光線下會(huì)呈現(xiàn)出不易察覺的偏青色，其美容效果比較差。

　　（三）鈦合金支架

　　目前鈦合金制造支架以強(qiáng)度高，表面光滑、耐磨損、耐腐蝕，永久修復(fù)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。一般的鈦合金支架含鈦46%，具有良好的生物相容性，同等于75%的黃金合金。

　　用鈦合金制造支架，修復(fù)短期內(nèi)患者即可行使咀嚼功能，且不適感消除快，固位好，用鈦合金支架修復(fù)缺失牙，具有良好的強(qiáng)度和彈性。純鈦與人體組織有良好的適應(yīng)性，使得其基托下方的口腔黏膜不會(huì)產(chǎn)生類似排斥的反應(yīng)，如微血管流速的改變、組織液滲出的增加等等。這樣患者戴用鈦合金基托義齒后產(chǎn)生義齒性口炎的條件就大大減少，提高了患者的滿意度。鈦合金支架能很好的幫助恢復(fù)牙體形態(tài)和功能，且強(qiáng)度高，表面光滑、耐磨損、耐腐蝕，一種永久修復(fù)體，適用于一切固定者。尤其是它的生物相容性好，對(duì)鎳離子敏感的人比較適合，現(xiàn)已被廣泛地推廣應(yīng)用于前牙的修復(fù)。

　　（三）鈦材料在制藥工業(yè)中應(yīng)用

　　鈦在制藥業(yè)中主要用于制作容器、反應(yīng)器和加熱器等。制藥生產(chǎn)中，設(shè)備經(jīng)常要接觸鹽酸、硝酸、硫酸等無機(jī)酸、有機(jī)酸及其鹽類，設(shè)備因腐蝕經(jīng)常損壞，同時(shí)因鋼制設(shè)備帶來的鐵離子污染影響了產(chǎn)品質(zhì)量，采用鈦制設(shè)備則能解決這些問題。例如，青霉素酯化釜、糖化罐、氯霉素薄膜蒸發(fā)器，安乃近反應(yīng)器、米吐爾過濾器、硫酸二甲酯冷卻器、藥液過濾器等，都有選鈦材的先例，所生產(chǎn)的藥液的數(shù)量和質(zhì)量都不斷提高，而且質(zhì)量完全符合中國藥典的規(guī)定。

　　五、鈦合金的未來發(fā)展趨勢(shì)

　　（一）鈦記憶合金

　　80 年代初期，NiTi形狀記憶合金成功用于骨科臨床，引起骨科專家和臨床醫(yī)生的關(guān)注，并稱之為“神奇金屬”。這種功能材料具有奇特的形狀記憶效應(yīng)、超彈性、耐疲勞、耐磨損、耐腐蝕、生物相容性好。它是由56%（質(zhì)量百分比）的 Ni 和 44%（質(zhì)量百分比）的鈦組成。用于骨科臨床的NTSMA）的變形溫度為 0℃5℃，回復(fù)溫度為 37℃左右。用NTSMA材料固定骨折后，在體溫或熱鹽水濕敷下升溫而產(chǎn)生形狀回復(fù)，但骨骼對(duì)材料回復(fù)產(chǎn)生了限制，這樣在骨折斷端產(chǎn)生一種動(dòng)態(tài)、持續(xù)性質(zhì)的加壓力或鉗夾力而達(dá)到固定骨折的作用。我國NTSMA材料的基礎(chǔ)研究比國外晚，但在臨床應(yīng)用研究方面處于國際領(lǐng)先地位。2000 年，在骨科內(nèi)植入物方面，蘭州西脈記憶合金股份有限公司，取得國家藥品監(jiān)督管理局的產(chǎn)品準(zhǔn)產(chǎn)注冊(cè)，促進(jìn)了NTSMA骨科內(nèi)植物的臨床應(yīng)用。目前，我國已有3家企業(yè)注冊(cè)生產(chǎn)NTSMA 骨內(nèi)固定裝置，主要有騎縫釘、聚髕器、環(huán)抱鋼板、NiTI弓形記憶加壓接骨器、髓內(nèi)釘?shù)犬a(chǎn)品。

　　（二）醫(yī)用純鈦及其鈦合金的表面改性

　　在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，表面改性主要是為了改善植入體的耐磨性、抗蝕性和生物學(xué)性能（包括生物相容性和生物活性）。雖說鈦及其合金與其它金屬材料相比具有與骨最為接近的彈性模量，然而仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于骨的彈性模量，這就容易造成界 面上機(jī)械性能的不匹配；同時(shí)，從成分上來看，鈦與自然骨的成分截然不同，鈦與骨之間雖然具有 良好的生物相容性，植入后種植體周圍無纖維包囊形成，但鈦合金與骨之間只是一種機(jī)械嵌連性 的骨整合，而非強(qiáng)有力的化學(xué)骨性結(jié)合，因此對(duì)鈦合金進(jìn)行表面改性以改善其生物學(xué)性能引起了人們的日益重視。

　　六、結(jié)束語

　　從目前生物醫(yī)用材料的發(fā)展現(xiàn)狀來看，不難發(fā)現(xiàn)，純鈦及其合金具有其它材料不可比擬的優(yōu)越性，雖然在臨床上還存在一些不盡如人意的地方，但仍是一種很有前途的硬組織替換材料，開發(fā)研究 更適合臨床應(yīng)用的新型鈦合金不失為生物醫(yī)用鈦合金的一個(gè)主要發(fā)展方向，尋求更為理想的表面 改性工藝從而獲得高質(zhì)量的涂層，并解決涂層與基 底的結(jié)合問題，也是極有前途的一種方法。此外，將生物活性相添加進(jìn)鈦合金基體中通過合適的復(fù) 合技術(shù)制備成復(fù)合材料也是一條值得探索的新途徑。希望在眾多生物材料工作者的努力下，能將純 鈦及其合金在臨床中的應(yīng)用更加推進(jìn)一步。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]楊冠軍.鈦合金研究和加工技術(shù)的新進(jìn)展.鈦工業(yè)進(jìn)展，2001

　　[2]張玉梅，郭天文，李佐臣（鈦及鈦合金在口腔科應(yīng)用的研究方向）K，（生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志

　　[3]張二林，朱兆軍，曾松巖.自生顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的研究進(jìn)展.稀有金屬，1999（6）

　　[4]Andersson，N.； et al.（2003）."Emission spectra of TiH and TiD near 938nm".J.Chem.Phys.118：10543.Bibcode：2003JChPh.118.3543A.doi：10.1063/1.15398486..Hampel，Clifford A.（1968）.The Encyclopedia of the Chemical Elements. Van Nostrand Reinhold. p.738.ISBN0442155980

　　[5]Smook，Gary A.（2002）.Handbook for Pulp & Paper Technologists（3rd ed.）. Angus Wilde Publications. p.223.ISBN0969462859

　　[6]Andrew E. Kramer（5 July 2013）.“Titanium Fills Vital Role for Boeing and Russia”.The New York Times. Retrieved 6 July 2013

　　[7]Sevan，Vardan（23 September 2006）.“Rosoboronexport controls titanium in Russia”. Sevanco Strategic Consulting. Retrieved 26 December 2006

　　Matthew J. Donachie，Jr.（1988）.TITANIUM：A Technical Guide. metals Park，OH：ASM International. p.13.ISBN 0871703092

　　[8]"GlobalSecurity". GlobalSecurity.org. April 2006. Retrieved 23 April 2008