金屬材料是最早用于臨床醫(yī)學(xué)的生物醫(yī)用材料,目前用于外科植入物和矯形器械的金屬材料主要包括不銹鋼、鈷基合金和鈦合金三大系列,它們占整個(gè)生物材料產(chǎn)品市場份額的 40% 左右。其中,鈦合金已廣泛應(yīng)用于人體硬組織(包括人體軀干中所有的骨骼和牙齒)的缺損、創(chuàng)傷和疾病等修復(fù)、矯形及替代等治療。

20 世紀(jì)中葉以來,以鈦合金為主的醫(yī)用金屬材料開始在人體硬組織的外科植入及人體軟組織(包括心腦血管、外周血管及非血管如肝臟、膽道、尿道等)的介入治療方面顯示出獨(dú)特而神奇的療效,而鈦合金人工關(guān)節(jié)、牙種植體、血管內(nèi)支架和心臟瓣膜等具有中國醫(yī)療器械用鈦合金材料研發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用、及典型代表性的醫(yī)療器械產(chǎn)品的問世,對(duì)醫(yī)學(xué)的發(fā)展具有劃時(shí)代的意義和革命性貢獻(xiàn),使得臨床治療從初級(jí)的簡單“修復(fù)、矯形”治療上升到更高層次的組織與器官的“替代式”治療,極大改善和提高了人們的生活質(zhì)量,克服了以往重大疾病只能單純依靠藥物治療的不足。

1、鈦合金材料在我國的發(fā)展歷史

上世紀(jì)七十年代初,我國開始采用了國產(chǎn)鈦及鈦合金制品,在北京多家醫(yī)院,先后采用鈦及鈦合金人造骨頭與關(guān)節(jié)用于臨床治療應(yīng)用和研究,制造的髖關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、下頜骨等用于臨床治療病人。同時(shí),一些醫(yī)院與公司的模擬人體體液的浸泡實(shí)驗(yàn),電化學(xué)陽極化實(shí)驗(yàn)和腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線的測定,證明了鈦及鈦合金人造骨頭與關(guān)節(jié)用于人體具有優(yōu)異的耐腐蝕性,生物學(xué)反應(yīng)也很小,是一種理想的人體植入物,對(duì)植入人體骨頭與關(guān)節(jié)進(jìn)行力學(xué)性能也經(jīng)過測定,認(rèn)為鈦及鈦合金的強(qiáng)度滿足了人體植入物的要求。

上世紀(jì)八十年代中期以后,我國鈦材用于制造人體植入物的數(shù)量增加,其中鈦形狀記憶合金的開發(fā)與應(yīng)用達(dá)到國際先進(jìn)水平。到了九十年代中期,國產(chǎn)鈦及鈦合金加工材,在矯形外科、神經(jīng)外科、心血管系統(tǒng)、口腔頜面外科、人體外培養(yǎng)機(jī)等方面廣泛應(yīng)用。近5年,國內(nèi)一大批企業(yè)成為鈦及不銹鋼等人體植入物生產(chǎn)企業(yè)。采用鈦及鈦合金制造的股骨頭、髖關(guān)節(jié)、肱骨、顱骨、膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、掌指關(guān)節(jié)、頜骨以及心辨膜、腎辨膜、血管擴(kuò)張器、夾板、假體、緊固螺釘?shù)壬习俜N金屬件移植到人體中,取得了良好的效果,被醫(yī)學(xué)界給予了很高的評(píng)價(jià)。

2、生物醫(yī)用鈦合金材料的分類及特點(diǎn)

生物醫(yī)用鈦合金材料是專指用于生物醫(yī)學(xué)工程的一類功能結(jié)構(gòu)材料,主要用于外科植入物和矯形器械等產(chǎn)品的生產(chǎn)和制造。按照外科植入物和矯形器械專業(yè)標(biāo)準(zhǔn),鈦合金材料可歸入“外科植入物用材料”中“金屬材料”一類,而鈦合金材料在非有源外科植入物、有源外科植入物和矯形器械三大類醫(yī)療器械中,可充當(dāng)心血管、骨與關(guān)節(jié)、骨接合、脊柱、矯形器械、心臟起搏器與除顫器、耳蝸植入物、神經(jīng)刺激器和其他植入產(chǎn)品的原材料。生物醫(yī)用鈦合金按材料顯微組織類型可分為 α 型鈦合金(如純鈦系列) 、α+β型鈦合金(如 Ti6Al4V 等)和 β 型鈦合金(如Ti12Mo6Zr2Fe 等)以及 TiNi 形狀記憶鈦合金四大類,與醫(yī)用不銹鋼和鈷基合金相比,它們具有比重小、比強(qiáng)度高、彈性模量較低、耐腐蝕、易切削加工以及較好的生物相容性等特點(diǎn)。

3、生物醫(yī)用鈦合金材料的研究開發(fā)現(xiàn)狀

生物醫(yī)用鈦及其合金的發(fā)展可分為三個(gè)時(shí)代:第一個(gè)時(shí)代以純鈦和Ti6A14V為代表,第二個(gè)時(shí)代是以T巧A12.5Fe和Ti6A17Nb為代表的新型d+B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)B型鈦合金的研究最為廣泛。

1)以純鈦和Ti6A14V為代表的第一代生物鈦合金工業(yè)純鈦是最早被應(yīng)用于這一領(lǐng)域的鈦合金。目前使用純鈦植入件的臨床經(jīng)驗(yàn)比較成熟,但商用純鈦并不能提供醫(yī)用負(fù)重材料所需要的綜合力學(xué)性能,如純鈦的強(qiáng)度較低,耐磨性較差等,限制了它的應(yīng)用。雖然冷加工可以增加純鈦的強(qiáng)度,但是也無法滿足實(shí)際需要。因此,人們開始考慮使用鈦合金。Ti6A14V由于其優(yōu)異的生物相容性和良好的綜合力學(xué)性能成為第一種被引入生物材料領(lǐng)域的鈦合金,而且至今也是生物醫(yī)療器械產(chǎn)品中用量最大的鈦合金。

2)以Ti6A17Nb和TiSAl2.5Fe為代表的第二代新型Q+B型合金由于Ti6M4V中含有潛在毒性元素V,80年代中期兩種新型“q+B”型醫(yī)用鈦合金TiSAl2.5Fe和Ti6A17Nb在歐洲得到了發(fā)展。

Ti6A17Nb在力學(xué)性能方面與公認(rèn)的“全能”Ti6A14V合金相當(dāng),是一種安全且有發(fā)展?jié)摿Φ娜斯ど镝t(yī)用植入體材料,1989年由瑞士成功開發(fā)。對(duì)于這種安全且有發(fā)展?jié)摿Φ纳镝t(yī)用鈦合金各國專家學(xué)者在不同方面展開了深入研究。

4、我國醫(yī)療器械用鈦合金材料的生產(chǎn)現(xiàn)狀

我國 1992 年首次發(fā)布了第一個(gè)《外科植入物用鈦及鈦合金加工材》國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T13810-1992,這標(biāo)志著我國開始了專業(yè)化生產(chǎn)針對(duì)醫(yī)療器械應(yīng)用的鈦合金原材料。但 20 年后的今天,該國家標(biāo)準(zhǔn)雖經(jīng)兩次改版,我國目前只能生產(chǎn)純鈦(中國牌號(hào) TA1~TA4,美國對(duì)應(yīng)牌號(hào) Gr1~ Gr4) 、Ti6Al4V(中國牌號(hào) TC4,美國對(duì)應(yīng)牌號(hào) Gr5 或 Ti64) 、Ti6Al7Nb(中國牌號(hào) TC20)三大類鈦合金材料,尚沒有一個(gè) β 型鈦合金納入國家標(biāo)準(zhǔn), 如表 1 所示。截至目前,純鈦和 Ti6Al4V 鈦合金仍是國際上產(chǎn)銷量最大、應(yīng)用最廣的外科植入物用傳統(tǒng)主體材料,其銷售額約占全球整個(gè)生物醫(yī)用鈦合金市場的 80% 以上。我國目前生產(chǎn)的外科植入物用鈦及鈦合金加工材的品種涉及板材(厚度0.8~25mm) 、棒材和絲材(直徑 1~90mm) ,供應(yīng)狀態(tài)可為冷軋、熱加工及退火狀態(tài)。我國新國標(biāo)GB/T13810-2007 中規(guī)定的鈦合金加工材在化學(xué)成分、力學(xué)性能和顯微組織等指標(biāo)等同采用美國ASTM F136-02a 要求,但同時(shí)還增加了顯微組織評(píng)級(jí)、斷面收縮率和板、棒材超聲檢驗(yàn)等附加的技術(shù)要求。雖然我國國標(biāo)明確規(guī)定 Ti6Al4V 鈦合金顯微組織評(píng)級(jí)類型應(yīng)符合 A1~A9 的 a+b 雙相組織,但國產(chǎn)鈦材供貨時(shí)多數(shù)為粗晶的 A3~A5 級(jí)組織,且質(zhì)量穩(wěn)定性差 ;而美國進(jìn)口鈦材顯微組織可達(dá)到細(xì)晶化的 A1~A3 組織,其中直徑 15mm以下的小規(guī)格棒材可達(dá)到 A1 級(jí)(等軸化的 a、b相晶粒尺寸小于 10μm) ,因而具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性、耐蝕性和機(jī)械切削性能,這造成我國人工關(guān)節(jié)、牙種植體、脊柱內(nèi)固定系統(tǒng)等高端醫(yī)療器械產(chǎn)品加工仍需大量進(jìn)口國外優(yōu)質(zhì)的 Ti6Al4V 鈦合金材料,而國產(chǎn)醫(yī)用鈦材主要滿足國內(nèi)中低端醫(yī)療器械產(chǎn)品如接骨板和接骨螺釘?shù)仁褂谩?008 年我國海綿鈦和鈦材產(chǎn)量已分別位居世界首位和第二位,鈦材消耗量已占全球第二位,成為繼俄羅斯、美國、日本之后的鈦工業(yè)大國,其中美、俄鈦材消耗主要針對(duì)國防軍用,而中、日主要針對(duì)工業(yè)民用。