王運(yùn)鋒，何蕾，郭薇（西北有色金屬研究院，陜西西安710016)
　　摘要：綜述了醫(yī)用鈦合金的發(fā)展歷史，重點(diǎn)介紹了國內(nèi)外新型醫(yī)用β鈦合金的研發(fā)現(xiàn)狀，以及鈦合金作為骨與關(guān)節(jié)替代物、牙科植入物、顱骨修復(fù)植入物、心血管修復(fù)材料等在臨床治療中的應(yīng)用情況。指出，我國在醫(yī)用鈦合金的開發(fā)與應(yīng)用中存在研究起步較晚，整體水平不高，相關(guān)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，缺乏精細(xì)和深加工產(chǎn)品等問題。今后，我國不僅要大力開發(fā)低彈性模量的新型醫(yī)用β鈦合金，還要加快醫(yī)用鈦合金植入件的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，從而促進(jìn)醫(yī)用鈦合金的應(yīng)用。
　　關(guān)鍵詞：醫(yī)用鈦合金；彈性模量；生物相容性；外科植入物
　　0引言
　　金屬材料用于人體修復(fù)已有數(shù)百年的歷史，早在18世紀(jì)后期，F(xiàn)e、Au、Ag、Pt等金屬就已經(jīng)用于人體斷骨固定［1］。與高分子材料、陶瓷材料等其他材料相比，金屬材料作為醫(yī)用材料具有強(qiáng)度高、韌性良好及加工性能好等特點(diǎn)，在整個(gè)生物材料市場所占份額達(dá)到40%左右［2］。目前，醫(yī)用金屬材料主要包括醫(yī)用鈦材、不銹鋼材料和鈷基合金這幾大類。然而在人體環(huán)境內(nèi)，不銹鋼和鈷基合金會(huì)溶出Ni、Cr和Co等元素，對(duì)人體產(chǎn)生毒副作用［3］。另外，不銹鋼的彈性模量約為210GPa，鈷基合金的彈性模量約為240GPa，遠(yuǎn)高于人體骨骼的彈性模量（約20～30GPa），容易產(chǎn)生“應(yīng)力屏蔽”而導(dǎo)致種植體周圍出現(xiàn)骨吸收，最終導(dǎo)致種植體松動(dòng)或斷裂［4］。而鈦及鈦合金尤其是β鈦合金不僅具有較低的彈性模量，而且具有良好的抗蝕性和優(yōu)良的生物相容性，因而在臨床治療中的應(yīng)用越來越廣泛。
　　1醫(yī)用鈦合金的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀
　　1.1發(fā)展歷史20世紀(jì)60年代，純鈦?zhàn)鳛槿梭w植入物開始應(yīng)用于臨床。雖然純鈦材料在生理環(huán)境中有著優(yōu)良的抗蝕性，但其強(qiáng)度低，耐磨損性能差，僅可用于承受載荷較小部位的骨替代及口腔修復(fù)［5］。隨后應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的TC4鈦合金被引進(jìn)到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，解決了純鈦材料強(qiáng)度不能滿足要求的問題，同時(shí)Ti-3Al-2.5V合金也開始在臨床上被用做人體脛骨和股骨的替換材料［6－7］。到了20世紀(jì)80年代中期，臨床應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)TC4鈦合金人工髖關(guān)節(jié)周圍的骨組織出現(xiàn)了黑化和感染現(xiàn)象，隨后人們對(duì)此進(jìn)行研究，證實(shí)TC4鈦合金中所含的V元素會(huì)對(duì)生物體產(chǎn)生毒副作用，且生物毒性超過了Ni和Cr［8］。到20世紀(jì)90年代中期，德國和瑞士先后研制出第二代醫(yī)用鈦合金———無V的α+β型Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb合金［9－11］。但這類合金還是存在與骨骼彈性模量不匹配的問題，植入體容易松動(dòng)或失效，而且這類合金還含有對(duì)人體存在潛在危害的Al元素。相比α鈦合金和α+β鈦合金，β鈦合金的彈性模量低且強(qiáng)度和耐磨損性較高，因此，第三代醫(yī)用鈦合金———不含Al、V的低彈性模量β鈦合金成為主要研發(fā)方向。
　　1.2新型醫(yī)用β鈦合金的研發(fā)現(xiàn)狀
　　1.2.1國外新型醫(yī)用β鈦合金的研究
　　為了滿足醫(yī)療領(lǐng)域?qū)Φ蛷椥阅Ａ库伜辖鸩牧系囊螅芯咳藛T進(jìn)行了大量無毒、無過敏性的新型β鈦合金的研發(fā)工作，并已成功開發(fā)出了Ti-12Mo-6Zr-2Fe、Ti-12Mo-5Zr-5Sn、Ti-15Mo、Ti-16Nb-10Hf、Ti-13Nb-13Zr、Ti-15Mo-2.8Nb-0.2Si、Ti-30Ta、Ti-45Nb、Ti-35Zr-10Nb、Ti-35Nb-7Zr-5Ta、Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr、Ti-8Fe-8Ta和Ti-8Fe-8Ta-4Zr等鈦合金，主要用于人造牙根、人工髖關(guān)節(jié)、骨螺釘、接骨板和植入棒等植入體。這些新型β鈦合金的彈性模量都比較低，對(duì)于減少“應(yīng)力屏蔽”的發(fā)生，防止骨密度下降以及降低植入體的失效幾率具有十分重要的意義［12］。
　　美國開發(fā)了多種低彈性模量的β鈦合金。Ti-13Nb-13Zr合金是美國于1994年研制的一種醫(yī)用β鈦合金，并且是第一個(gè)被正式列入國際標(biāo)準(zhǔn)的低彈性模量醫(yī)用鈦合金［13］。TImetaL21SＲx鈦合金名義成分為Ti-15Mo-3Nb-0.2Si，是20世紀(jì)80年代美國為航天飛機(jī)用金屬基復(fù)合材料而開發(fā)的［14］，隨后也作為人體植入材料應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。為了保持該合金中β相的穩(wěn)定性，其氧含量（約0.3%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）要比一般的鈦合金高。與TC4鈦合金相比，該合金有著較高的拉伸強(qiáng)度及較低的彈性模量（83GPa），且耐蝕性能更好。Ti-Osteum（Ti-35Nb-7Zr5Ta）和TMZF（Ti-13Mo-7Zr-3Fe）是美國為制造人工髖關(guān)節(jié)而開發(fā)的兩種β鈦合金，其彈性模量較低，接近于人體骨骼，有利于人體骨骼與植入體之間的應(yīng)力緩沖和傳遞。美國還研制了一種亞穩(wěn)態(tài)β鈦合金———TMZFTM（Ti-12Mo-6Zr-2Fe），該合金從高溫（754℃或以上）快速冷卻后，能夠保持全β組織。通過固溶處理，這種全β組織會(huì)析出細(xì)小的α相，能夠進(jìn)一步提高TMZFTM鈦合金的強(qiáng)度。TMZFTM鈦合金的強(qiáng)度高、彈性模量低、耐蝕性能及耐磨損性能優(yōu)良，很適合制作矯形類醫(yī)療器件，且已經(jīng)投入臨床使用［15］。
　　日本研究人員參照d電子合金的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出由Ta、Nb、Zr、Sn和Mo等無毒合金元素組成的新型β鈦合金［16］。這類鈦合金具有較高強(qiáng)度和較低彈性模量，主要為Ti-Nb-Ta-Mo、Ti-Nb-Ta-Sn和Ti-Nb-Ta-Zr系合金，其作為人體植入物材料具有很好的應(yīng)用前景。典型代表如Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金，該合金除了具有與TC4鈦合金相媲美的耐磨性和力學(xué)性能，還有較低的彈性模量。日本還成功研制了置換型植入物用β鈦合金Ti-30Zr-Mo（用于可拆卸的植入體）［17］，正在開發(fā)的還有楊氏模量自調(diào)整型β鈦合金Ti-12Cr［18］、置換型植入物用楊氏模量自調(diào)整型β鈦合金Ti-30Zr-（Cr，Mo）［19］。在移植手術(shù)過程中，楊氏模量自調(diào)整型鈦合金可通過變形產(chǎn)生相變來阻止回彈。近幾年來，為了降成本，日本又開發(fā)了多種低成本醫(yī)用鈦合金，主要有Ti-Fe-Nb-Zr、Ti-Mn、Ti-Cr-Al、Ti-Cr-Sn-Zr、Ti-Sn-Cr等系列［14，20］。
　　俄羅斯研發(fā)了一種彈性模量僅為47GPa的醫(yī)用鈦合金，即Ti-51Zr-18Nb（at.%），其可逆變形量為2.83%。該合金具有如此低的彈性模量，是由于Ti的原子半徑比Zr小，當(dāng)Nb元素添加到Ti-Zr二元合金中時(shí)，合金的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生了特殊變化，從而形成機(jī)械不穩(wěn)定β相（在變形過程中會(huì)發(fā)生β→ω相變）［21］。
　　1.2.2國內(nèi)新型醫(yī)用β鈦合金的研究
　　我國自“十五”期間開始進(jìn)行新型醫(yī)用β鈦合金的研究。2005年，西北有色金屬研究院開發(fā)出兩類近β型醫(yī)用鈦合金———TLE（名義成分Ti-（3～6）Zr-（2～4）Mo-（24～27）Nb）和TLM（名義成分Ti-（1.5～4.5）Zr-（0.5～5.5）Sn-（1.5～4.4）Mo-（23.5～26.5）Nb）。這兩種合金不僅有著較高的強(qiáng)度和良好的韌性，而且加工成形性能良好。中科院金屬研究所經(jīng)過多年研究，研制出一種具有高強(qiáng)度、低彈性模量、超彈性和阻尼性能的多功能柔韌鈦合金——Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金（Ti-2448）［22］。2008年以來，以Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金加工的多種醫(yī)用植入器件陸續(xù)通過了國家食品藥品監(jiān)督管理局的檢驗(yàn)，并進(jìn)入批量應(yīng)用階段。華南理工大學(xué)［23］采用粉末冶金法得到了一種高強(qiáng)度低彈性模量的醫(yī)用鈦合金（Ti69.7Nb23.7Zr4.9Ta1.7）94Fe6，其壓縮屈服強(qiáng)度為2425MPa，斷裂強(qiáng)度為2650MPa，平均彈性模量僅為52GPa，且耐磨性優(yōu)于常用的醫(yī)用鈦合金Ti-6Al-4V和Ti-13Nb-13Zr。河北工業(yè)大學(xué)研制的新型鈦合金Ti-30Nb-8Zr-2Mo，硬度和彈性模量均達(dá)到種植體材料的性能要［24］。北京科技大學(xué)宋西平教授等［25］研究了鈦合金相結(jié)構(gòu)變化對(duì)鈦合金彈性模量的影響規(guī)律，據(jù)此設(shè)計(jì)開發(fā)出了一種彈性模量僅為38.8GPa的低模量醫(yī)用鈦合金，其彈性模量低于國內(nèi)外已報(bào)道的同類材料。該研究為開發(fā)醫(yī)用低彈性模量鈦合金積累了大量數(shù)據(jù)，提供了新的思路與方向。表1是世界各國開發(fā)的典型醫(yī)用β鈦合金性能對(duì)比［26－27］。從表1可以看出，第三代醫(yī)用鈦合金彈性模量均較低，美國的Ti-35Nb-5Ta-7Zr合金和我國的Ti-2448合金的彈性模量甚至達(dá)到了50GPa級(jí)別，與人體骨骼的彈性模量接近。
　　表1新型醫(yī)用β鈦合金性能對(duì)比
　　Table1Theperformancecomparisonfornovelmedicaltitaniumalloy

　　2鈦合金在臨床治療中的應(yīng)用
　　醫(yī)用鈦合金主要用于生產(chǎn)和制造外科植入物和矯形器械產(chǎn)品，如牙種植體、人工關(guān)節(jié)和血管支架等。按照矯形器械與外科植入產(chǎn)品專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，醫(yī)用鈦材被歸入“外科植入物用材料”中的“金屬材料”一類。以下按我國外科植入物和矯形器械分類目錄中所涉及的鈦及鈦合金產(chǎn)品類型（見表2）介紹其在臨床治療中的應(yīng)用。
　　2.1骨與關(guān)節(jié)替代物
　　鈦及鈦合金密度較，彈性模量低，可以避免局部骨吸收現(xiàn)象的產(chǎn)生，因而是十分優(yōu)良的人工骨、關(guān)節(jié)等硬組織替換材料。人工髖關(guān)節(jié)假體的髖臼杯和骰骨柄通常用鈦及鈦合金來制造，見圖1［28］。髖臼固定后，關(guān)節(jié)頭可以在髖臼杯里自由活動(dòng)。人工膝關(guān)節(jié)也常采用鈦及鈦合金制備，由脛骨部件、股骨部件和髕骨部件三部分組成。
　　骨與關(guān)節(jié)替代物在人體內(nèi)會(huì)受到人體的扭轉(zhuǎn)曲、擠壓、肌肉收縮力等作用，因此對(duì)植入物的強(qiáng)度和韌性要求很高。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TC4鈦合金。1985年，瑞士Sulzer公司采用Ti-6Al-7Nb合金制造人工髖關(guān)節(jié)柄并得到應(yīng)用。2000年，該公司的人工髖關(guān)節(jié)柄進(jìn)入中國，每年的銷售量達(dá)到幾萬套。目前我國人工關(guān)節(jié)加工所需的優(yōu)質(zhì)鈦材仍依賴進(jìn)口，而國內(nèi)生產(chǎn)的醫(yī)用鈦材主要用來滿足國內(nèi)中低端醫(yī)用產(chǎn)品如接骨螺釘和接骨板等使用［29］。2010年我國生產(chǎn)銷售的醫(yī)用純鈦及Ti-6Al-4V合金材料已達(dá)到1084t,其中出口約占20%。我國每年生產(chǎn)醫(yī)用Ti-6Al-7Nb合金材料上百噸，但幾乎全部出口國外，國內(nèi)尚無實(shí)際應(yīng)用。2.2牙科植入物鈦及鈦合金被廣泛用作牙齒修復(fù)材料，其優(yōu)點(diǎn)主要有：①鈦在酸性和堿性環(huán)境下溶化量少，沒有銀合金存在的腐蝕、變色問題；②對(duì)人體有很好的安全性，不會(huì)出現(xiàn)鎳合金引起的超敏反應(yīng)；③純鈦的密度僅為4.50g/cm3，與自然牙齒的密度接近，制作的牙床重量輕，鑲牙裝著感好；④純鈦的熱傳導(dǎo)率低，對(duì)牙髓無刺激性；⑤與傳統(tǒng)的牙床材料相比，具有咀嚼時(shí)不改變食物味道的特性。因此，鈦及鈦合金是迄今為止臨床應(yīng)用效果最佳的牙科材料。表3列出了鈦及鈦合金在牙科中的主要用途。可以看出，純鈦和TC4鈦合金是牙科領(lǐng)域使用的主要材料。
　　表2我國外科植入物和矯形器械分類目錄中涉及的鈦合金典型產(chǎn)品
　　Table2Typicaltitaniumalloyproductsinvolvedinthecontentsofsurgicalimplantsandorthopedicdevices

　　圖1鈦合金人工髖關(guān)節(jié)假體照片
　　Fig.1Photooftitaniumalloyartificialhip

 

　　表3鈦及鈦合金在牙科中的用途
　　Table3Useoftitaniumandtitaniumalloysindentistry

　　瑞典開發(fā)的Ti-6Al-7Nb合金［8］以及日本開發(fā)的Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金［30］對(duì)于牙科應(yīng)用也具有很強(qiáng)的吸引力。牙科領(lǐng)域所用鈦材通常采用精密鑄造成形，因此具有較高的強(qiáng)度，但延伸率較低。為此，研究者們進(jìn)行了大量提高其延伸率的研究，主要方法有熱處理（如α-β固溶處理、β固溶處理等）、破碎α相結(jié)構(gòu)以及熱塑性變形及后熱處理等。2.3顱骨修復(fù)植入物開顱手術(shù)通常會(huì)造成顱骨缺損，目前臨床上通常用鈦網(wǎng)修復(fù)缺損的顱骨。進(jìn)行修復(fù)時(shí)，為了使修補(bǔ)體與患者原顱骨較好地嵌合，在術(shù)前或術(shù)中醫(yī)生需根據(jù)患者缺損部位的大小和形狀，在鈦網(wǎng)上剪很多豁口，并在患者頭上比較后反復(fù)修型、剪縫，直到符合患者缺損部位的要求。這樣不僅會(huì)增加鈦釘?shù)氖褂昧浚档外伨W(wǎng)的強(qiáng)度，而且增加了手術(shù)時(shí)間。近年來，人們開發(fā)出一種CT三維重建軟件系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可得到患者顱骨缺損部位的CT三維數(shù)據(jù)，并通過數(shù)字化鈦網(wǎng)成形機(jī)制備出與患者顱骨缺損部位完全一致的鈦網(wǎng)修復(fù)體（如圖2）
　　［31］。臨床應(yīng)用表明，采用這種技術(shù)不僅大大提高了手術(shù)精度，縮短了手術(shù)時(shí)間和鈦釘使用量，降低了手術(shù)復(fù)雜度，而且減少了術(shù)后并發(fā)癥，提高了患者的生活質(zhì)量［32］。
　　2.4心血管修復(fù)材料
　　鈦及鈦合金在人體心血管方面應(yīng)用的實(shí)例有人造心臟瓣膜、血液過濾器、心臟起搏器和人工心臟泵等。
　　圖2三維數(shù)字化成形鈦網(wǎng)修復(fù)體照片
　　Fig.2Photoof3Ddigitalshapingtitaniummeshrestoration


　　其優(yōu)點(diǎn)主要有：
　　①強(qiáng)度高，化學(xué)穩(wěn)定性好，生物相容性優(yōu)良；
　　②鈦具有無磁性，在磁共振圖譜MＲI中很少產(chǎn)生假象；
　　③NiTi記憶合金具有的彈性能力和形狀恢復(fù)功能非常適合于醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用NiTi合金在低溫（零度附近）時(shí)呈馬氏體態(tài)，很容易變成易于導(dǎo)入人體內(nèi)的形狀，當(dāng)溫度升高到體溫時(shí)會(huì)產(chǎn)生逆相變，從而恢復(fù)到原...