外科植入物用鈦合金研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

摘要:外科植入物對于鈦合金的需求量近幾年來呈現(xiàn)出快速增長階段，對于植入物用鈦合金的研究顯得日益重要。本文主要從植入物用鈦合金彈性模量、損傷容限和鈦合金的表面改性技術(shù)這三個方面闡述了植入物用鈦合金的發(fā)展過程，分析了我國當(dāng)前對植入物用鈦合金研究、生產(chǎn)現(xiàn)狀基于此提出了植入物用鈦合金未來的發(fā)展趨勢及方向。

關(guān)鍵詞:植入物用鈦合金;彈性模量;損傷容限;表面改性;發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

外科植入金屬主要包括不銹鋼、鈷基合金、鈦合金三大類，此外還有少量的稀貴金屬。醫(yī)用不銹鋼和鈷基合金雖較早應(yīng)用于臨床，但它們普遍含有對組織細(xì)胞產(chǎn)毒副作用的Ni，Co，Cr元素，并且彈性模量相對于人體骨科差距較大（骨科彈性模量在10～40Gpa，醫(yī)用不銹鋼在180～250Gpa），這種彈性模量的差異容易導(dǎo)致植入物和骨骼之間發(fā)生“應(yīng)力遮擋”，從而導(dǎo)致周圍骨骼嚴(yán)重弱化，最終導(dǎo)致植入物的松動或斷裂，因此臨床應(yīng)用呈下降趨勢。Au，Pt，Ta，Hf等稀貴金屬雖然耐蝕性較好，但價格昂貴。鈦及鈦合金具有比強度高、彈性模量較低、耐腐蝕、易加工成形、無磁性無毒等特點，特別是生物兼容性好，這些特征使得其成為不銹鋼、鈷基合金的優(yōu)良代替材料。因此，鈦合金已成為臨床上用于人體硬組織修復(fù)與替代的理想功能結(jié)構(gòu)材料。

01 鈦合金植入物發(fā)展及研究現(xiàn)狀

1.1. 鈦合金植入物發(fā)展過程

從世界范圍內(nèi)看鈦合金的植入物的發(fā)展大致可以分為三個階段：

第一個階段是以純鈦和Ti-6Al-4V為代表的α型初期階段，隨后出現(xiàn)了高損傷容限的TC4ELI合金，目前80%鈦合金植入物仍然處于這個階段。

第二個階段是以不含V的Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb的α+β型合金階段，在發(fā)展過程中發(fā)現(xiàn)AL元素在人體長期存在容易造成老年癡呆，后續(xù)相繼開發(fā)出無AL、V的α+β型鈦合金Ti-15Zr，Ti-15Sn。

第三個階段以Ti-13Nb-13Zr、Ti-12Mo-6Zr-2Fe和Ti-15Mo-3Nb為代表的β或近β型鈦合金的問世，由于這種β或近β型鈦合金具有高強、高塑、低彈性模量的特點而被廣泛研究，成功開發(fā)出來一系列的植入物用鈦合金。

1.2. 鈦合金植入物研究現(xiàn)狀

1.2.1. 低彈性模量鈦合金植入物的研究

植入物對彈性模量的要求較高，雖然鈦合金的彈性模量相對較低在100～130Gpa之間，但是離人體骨組織的要求仍有一定的差距，因為開發(fā)低彈性模量的鈦合金植入物勢在必行，低彈性模量鈦合金植入物的研究重點在于合金元素的設(shè)計。鈦合金按照室溫組織結(jié)構(gòu)可以分為α、α+β、β型鈦合金，經(jīng)過綜合的實驗對比，β型鈦合金具有較低的彈性模量和優(yōu)良的抗腐蝕性能。按照各種合金元素對人體的影響程度，在鈦合金植入物材料設(shè)計當(dāng)中常用Kβ、d-電子合金理論穩(wěn)定系數(shù)進行低彈性模量鈦合金植入物的研究。

Kβ=C1/CK1+C2/CK2+C3/CK3······+Cn/CKn

式中Kβ為β穩(wěn)定系數(shù)，C1，C2，C3，······Cn為鈦合金中所含β穩(wěn)定元素濃度，CK1，CK2，CK3，······CKn，為各β穩(wěn)定元素的臨界濃度，Kβ越大β穩(wěn)定元素含量就越多，相數(shù)量越高。在低彈性模量鈦合金植入物設(shè)計階段Kβ>1.0。日本學(xué)者湯川夏夫和森永正彥提出了d-電子合金設(shè)計理論，該理論選用單一電子軌道參數(shù)Md（合金元素d的軌道能）來表征原子尺寸、電負(fù)性及諸多因素的綜合影響。根據(jù)這一理論，Md值越小相越穩(wěn)定，Bo值越大固溶強化效果就越好。

根據(jù)這一設(shè)計原理設(shè)計植入物用鈦合金時還應(yīng)當(dāng)考慮在提升強度、降低彈性模量的同時還不能降低太多的塑性指標(biāo)，根據(jù)d-電子合金理論的原理Al、Si、Sn這三種元素的加入使得塑性明顯下降；Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ這三個副族元素的加入在固溶強化、降低彈性模量的同時，對鈦合金的塑性影響較小。按照這種設(shè)計理論，設(shè)計出來Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr，在固溶狀態(tài)下其彈性模量在60GPa，在固溶時效狀態(tài)下，其彈性模量在80Gpa。目前報道的美國研制的低彈性模量鈦合金Ti-12Mo-6Zr-2Fe和Ti-35Nb-5Ta-7Zr的彈性模量分別可以降到在75Gpa和55GPa左右，這些低彈性模量鈦合金植入物的研究給后續(xù)的研究者指明了方向。

1.2.2. 高損傷容限鈦合金植入物的研究

骨科植入物用鈦合金作為人體組織的修復(fù)和替代在使用過程需要承受百萬次的拉伸，彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷，承受的載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大高于人體重，為了防止在使用過程中突然斷裂，為了能夠?qū)⑿阅芨玫臐M足人體需求，可以通過調(diào)整生產(chǎn)工藝來調(diào)整內(nèi)部顯微組織來提升醫(yī)用鈦合金的損傷容限。

20世紀(jì)90年代美國研制出新型鈦合金Ti-12Mo-6Zr-2Fe（TMZF），其彈性模量降低到74MPa。以骨科植入物種用量最多的TC4ELI為例，目前其斷裂韌度僅僅60MPa左右。通過大量的實驗研究來看，醫(yī)用TC4ELI通過合理生產(chǎn)工藝調(diào)整完斷裂韌性可以達到98MPa。目前國內(nèi)外相關(guān)植入物標(biāo)準(zhǔn)對醫(yī)用植入物的斷裂韌性限制較少，國內(nèi)外研究醫(yī)用鈦合金損傷容限的報道也不多見，提升醫(yī)用鈦合金的損傷容限必然是未來發(fā)展的一個趨勢。

1.2.3. 提升鈦合金植入物生物相容性的表面改性研究

雖然鈦和骨組織有良好的生物相容性，但是畢竟是兩種物質(zhì)成分截然不同，目前鈦與人體骨組織僅僅是簡單的機械相連并未形成強有力的化學(xué)結(jié)合，目前對于鈦材植入物的表面改性研究越來越深入，通過鈦材表面的改性使得鈦合金植入物在生理環(huán)境中誘使磷灰石層在鈦表層沉積，更好的提升其生物相容性。鈦合金植入物表面改性主要有物理方法（浸涂法和等離子噴涂法）、化學(xué)方法（溶膠-凝膠法，堿熱處理法，酸堿兩步化學(xué)法等）、電化學(xué)（電化學(xué)結(jié)晶，電泳沉積和陽極氧化法）、生物化學(xué)方法。

生物化學(xué)法是新興的對植入物鈦合金表面改性的新方法，其利用細(xì)胞學(xué)和分子生物學(xué)方法將蛋白質(zhì)、生長因子、酶及多肽等通過物理吸附、化學(xué)鍵合，及載體附著等方法結(jié)合到金屬基體表面，構(gòu)建新一代分子生物材料而產(chǎn)生所預(yù)期的生物效應(yīng)。生物化學(xué)方法，目前仍處于起步階段，其優(yōu)勢在于能直接有效提高鈦植入物的生物活性，但在如何保證反應(yīng)后生物分子的活性等方面還需大量的研究。

盡管鈦植入物表面改性方法很多，并且各有優(yōu)勢，但是目前尚無單一的處理方式能夠完全滿足植入物的理想要求。因此在對于單一方法對其表面改性研究的同時應(yīng)該考慮如何運用復(fù)合技術(shù)來發(fā)揮每種方法的最大優(yōu)勢，同時也避免單一方法的缺點。這樣能夠促使鈦植入物與骨的早期、長效牢固結(jié)合，這將是鈦合金植入物表面改性未來發(fā)展的方向。

02 鈦合金植入物國內(nèi)現(xiàn)狀

2.1. 我國對鈦合金植入物的研發(fā)推廣能力

我國對于植入物用鈦合金的研究起步較晚，北京有色金屬研究院、中科院金屬材料研究所和西北有色院對植入物用鈦合金進行了大量的研究，但是大多數(shù)僅僅停留在實驗室研究階段，并未在臨床上推廣使用。目前西方國家已經(jīng)對于植入物用鈦合金進行了多個標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，其醫(yī)用鈦合金的發(fā)展已經(jīng)進入到第三代產(chǎn)品，并應(yīng)用到實際臨床中。其中美國在20世紀(jì)60年代就頒布的第一個外科植入物用鈦標(biāo)準(zhǔn)（ASTM FGT），截止至目前其醫(yī)用鈦合金的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)9種左右，產(chǎn)品不斷處于升級換代階段。而我國目前仍然停留在第一代醫(yī)用鈦合金，目前我國關(guān)于醫(yī)用鈦合金也僅僅有兩個國標(biāo)（GB/T 3621和GB/T 12471），其中β型鈦合金目前尚沒有頒布國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，高端鈦及鈦合金植入物仍然依賴進口。通過比較可以看出我國需要在植入物用鈦合金進行深入的研究推廣，加快臨床測試速度并制定相關(guān)材料的國家標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)植入物用鈦合金的自產(chǎn)自銷能力。

2.2. 我國對鈦合金植入物的生產(chǎn)加工能力。

隨著國內(nèi)設(shè)備的更新?lián)Q代和自主研發(fā)能力的提升，目前國內(nèi)能夠?qū)︶t(yī)用鈦及鈦合金研究和生產(chǎn)的機構(gòu)越來越多，呈現(xiàn)生機勃勃的一面。以寶鈦、西北院和洛陽725所為代表的對鈦及鈦合金有深入研究的機構(gòu)，已經(jīng)為我國醫(yī)用鈦及鈦合金的生產(chǎn)做出了重大的貢獻。國內(nèi)植入物用鈦合金的生產(chǎn)能力呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢，但是生產(chǎn)能力并未得到完全的釋放。例如我國每年生產(chǎn)Ti-6Al-7Nb的量超過100T，但是在我國外科植入物中并沒有應(yīng)用，全部出口國外。

雖然我國的生產(chǎn)加工能力逐漸增強，但是對于植入物用鈦合金的產(chǎn)品質(zhì)量是我們重點關(guān)注的問題，同類產(chǎn)品質(zhì)量和國外產(chǎn)品質(zhì)量還是有一定距離的。比如國內(nèi)生產(chǎn)的植入物用TC4合金供貨時多數(shù)為粗晶的A3～A5級組織，且質(zhì)量穩(wěn)定性差，而美國進口鈦材顯微組織可達到細(xì)晶化的A1～A3組織，為等軸α+β組織平均晶粒尺寸小于10μm。

03 鈦合金植入物研究發(fā)展趨勢及方向

對于新型植入物用鈦合金的研發(fā)目前還存在諸多的問題沒有解決。從源頭上來講鈦合金的成分設(shè)計仍然需要進一步的優(yōu)化，在成分設(shè)計階段要把生物相容性作為一個重點進行設(shè)計；力學(xué)性能需要進一步的優(yōu)化，在考慮強度、塑性的同時還應(yīng)該對鈦合金耐磨性、抗腐蝕能力及損傷容限做深入的分析研究；在鈦合金的研發(fā)階段生產(chǎn)企業(yè)和醫(yī)院參與力度不足。從整體來看，正是由于這些問題的存在，決定了今后醫(yī)用鈦合金的發(fā)展趨勢及方向。

（1）研究新的醫(yī)用鈦合金的設(shè)計理論，尋求新型鈦合金的設(shè)計方法，做到從源頭上解決醫(yī)用鈦合金存在的問題，對傳統(tǒng)醫(yī)用鈦合金材料的優(yōu)化升級，進一步開發(fā)新型優(yōu)質(zhì)的醫(yī)用鈦合金材料。

（2）研究先進的生產(chǎn)加工工藝，進一步積累數(shù)據(jù)，通過生產(chǎn)工藝的改進來提升醫(yī)用鈦合金的綜合性能。比如采用SPD方法細(xì)化晶粒，采用復(fù)合表面處理技術(shù)對鈦合金進行表面改性提升醫(yī)用鈦合金的生物相容性等。據(jù)報道俄羅斯采用新方法成功在Ti-Zr-Nb合金表面噴鍍了抗菌涂層，能夠完全抑制大腸桿菌在植入物表面的生長。

（3）加強醫(yī)用鈦合金材料研制單位、醫(yī)療器械制造企業(yè)與各大醫(yī)院的有效協(xié)作和緊密配合，縮短研究到臨床應(yīng)用周期，開發(fā)出質(zhì)優(yōu)價廉的醫(yī)用鈦合金材料。