生物醫(yī)用鈦合金

生物醫(yī)用材料是指和生物系統(tǒng)相作用，用以診斷、治療修復(fù)或替代機(jī)體中的組織、器官或增進(jìn)其功能的材料。可分為醫(yī)用金屬材料、醫(yī)用高分子材料、醫(yī)用陶瓷材料等，其中醫(yī)用金屬材料占有很大的比重，特別是骨科產(chǎn)品、心腦血管產(chǎn)品。

由于鈦與人體骨骼接近，對(duì)人體組織具有良好的生物相容性、無毒副作用，具有其他材料無法比擬的優(yōu)勢(shì),所以醫(yī)用鈦在醫(yī)療領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

生物醫(yī)用鈦合金的優(yōu)勢(shì)

• 生物相容性：與人體發(fā)生***小的生物學(xué)反應(yīng)，無毒無磁，作為人體植入物，對(duì)人體無毒副作用。

• 力學(xué)性能：高強(qiáng)度、低彈性模量，既滿足力學(xué)要求，又與人體自然骨彈性模量相近，可減少應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，更有利于人骨的生長(zhǎng)愈合。

• 耐腐蝕性能：鈦合金為生物惰性材料，在人體生理環(huán)境下有有意的抗腐蝕性能，對(duì)人體生理環(huán)境不產(chǎn)生污染。

• 質(zhì)輕：一般鈦合金的密度僅為不銹鋼的56%，植入人體后大幅度減輕人體的負(fù)荷量。

生物醫(yī)用鈦合金發(fā)展歷程

金屬材料是人類生物醫(yī)學(xué)發(fā)展史上***早用于創(chuàng)傷修復(fù)和矯形治療的傳統(tǒng)材料。從20世紀(jì)30年代起，CoCr合金、不銹鋼曾先后被用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域并成為目前傳統(tǒng)的醫(yī)用金屬材料；20世紀(jì) 40 年代,性能更優(yōu)異的生物醫(yī)用鈦得到研究并證明了其臨床可行性。生物醫(yī)用鈦合金經(jīng)歷了純鈦與Ti-6Al-4V鈦合金、改良鈦合金、低模量β鈦合金三個(gè)歷程：

• 1950-1980年：純鈦首次用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域，證實(shí)了良好的生物相容性。Ti6Al4V廣泛用于外科修復(fù)或替換材料。

• 1980-1990年:證實(shí)V、Al是對(duì)生物體有毒副作用的元素；開發(fā)出以Nb、Fe替代V的第二代改良新型醫(yī)用鈦合金。

• 1990年-至今：90年代初期開發(fā)******個(gè)具有更好生物相容性和更低彈性模量的β鈦合金Ti13Nb13Zr,從此開啟了具有優(yōu)異性能的生物醫(yī)用β鈦合金的開發(fā)和使用。

國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀及問題

我國(guó)從20世紀(jì)70年代開始醫(yī)用鈦合金材料的研究和應(yīng)用，經(jīng)過前期對(duì)Ti-6Al-4V 、Ti-6Al-7Nb、Ti-5Al-2.5Fe醫(yī)用鈦合金的仿制研究，早在1999年西北有色金屬研究院在國(guó)內(nèi)首次研制出******個(gè)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)近α型新型醫(yī)用鈦合金TAMZ（Ti-2.5Al-2.5Mo-2.5Zr），綜合性能與Ti-6Al-7Nb相當(dāng)。

在2005年，西北有色院又研制出兩種新型高強(qiáng)低模量近β型醫(yī)用鈦合金TiZrMoNb（TLE）和Ti Zr Sn Mo Nb （TLM）。中科院金屬所也開發(fā)出新型低模量近β型鈦合金Ti -24Nb-4Zr-7.6Sn（Ti 2448）。另外，北京有色院、哈工大、東北大學(xué)、天津大學(xué)等單位也在開展新型β型鈦合金的應(yīng)用及相關(guān)基礎(chǔ)研究。

基于我國(guó)國(guó)情，擁有約13億人口和6000萬殘疾人的大國(guó)，而且我國(guó)正步入老齡化社會(huì)，為此要提供大量?jī)?yōu)質(zhì)的生物醫(yī)用材料及器件以供臨床診治的需要。而我國(guó)在醫(yī)用種植體方面的研究起步較晚，目前人工關(guān)節(jié)近一半需要進(jìn)口，而牙科種植體以及一些高端植入物更是90%以上使用進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格******昂貴，普通工薪階層的百姓難以承受。因此，開發(fā)無毒性、低彈性模量且價(jià)格低廉的新型植入用鈦合金是一個(gè)值得研究的課題。

生物醫(yī)用鈦合金分類及性能

生物醫(yī)用鈦合金按材料顯微組織類型可分為α型、α+β型和β型鈦合金三類。目前臨床廣泛使用的材料仍以純鈦和Ti-6Al-4V合金為主，但β型鈦合金由于更低的彈性模量和更好的生物相容性已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，是***有應(yīng)用前景的生物醫(yī)用鈦合金。

表１是各種生物醫(yī)用鈦合金的力學(xué)性能。圖1表明各種生物醫(yī)用合金的彈性模量和人體骨彈性模量的比較?？梢钥闯? 第二代生物醫(yī)用鈦合金彈性模量明顯比******代低 ,合金設(shè)計(jì)時(shí)Nb含量有增加的趨勢(shì)且都是β型鈦合金, Ti-35Nb-7Zr-5Ta 和Ti-29Nb-13Ta-7.1Zr合金具有***低的彈性模量55MPa, 與人體骨的彈性模量***接近。因此開發(fā)較低彈性模量的生物醫(yī)用β型鈦合金已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外研究***為廣泛的生物醫(yī)用超彈性β鈦合金是Ti-Nb系超彈性β鈦合

表1 生物醫(yī)用鈦合金的力學(xué)性能

圖1 生物醫(yī)用合金的彈性模量

常用生物醫(yī)用β鈦合金

近年來新型β型鈦合金的研發(fā)主要Ti-Nb系、Ti-Mo系、Ti-Zr系和Ti-Ta系合金。（對(duì)人體有害的V、Al、Ni 、Cr等元素逐步被生物相容性好的Nb、Zr、Ta、Sn、Pt、Mo等無毒元素取代）已研制成功的部分醫(yī)用低模量的β型鈦合金如下圖所示。與其他體系β鈦合金相比，Ti-Nb系合金的彈性模量較低，更接近人骨的彈性模量，并且不含有毒元素Al和V，適合作為醫(yī)用金屬材料，目前對(duì)其研究開展較多。

應(yīng)用舉例

生物醫(yī)用鈦合金優(yōu)異生物醫(yī)用特性，使其廣泛的應(yīng)用如下

公司由一群才華橫溢經(jīng)驗(yàn)豐富的熟練操作車、銑、磨、電火花、線切割、數(shù)控設(shè)備操作人員和經(jīng)驗(yàn)豐富的模具設(shè)計(jì)、裝配高級(jí)工程師組成的員工隊(duì)伍，全面實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（PRE/UG./SLIDWORK）及計(jì)算機(jī)制造加工系統(tǒng)（CAD/CAE/CAM），運(yùn)用******的制造工藝和完善的質(zhì)量控制流程，北京鋁合金零件加工,北京軍工零件加工產(chǎn)品質(zhì)量嚴(yán)格按照ISO9000質(zhì)量體系標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

生物醫(yī)用鈦合金未來發(fā)展方向

近年來，鈦合金在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用呈快速發(fā)展的趨勢(shì)。這也將對(duì)鈦合金的性能提出更高的要求，結(jié)合國(guó)內(nèi)外當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，得出生物醫(yī)用鈦合金未來發(fā)展方向如下：

相關(guān)企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)

雖然我國(guó)生物醫(yī)用鈦合金材料的研究工作已取得了顯著的進(jìn)展,但與歐美等發(fā)達(dá)******相比，在鈦合金植入物產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、加工、裝備、表面處理、工藝水平等方面仍存在很大差距。以下是部分國(guó)內(nèi)外生物醫(yī)用鈦合金相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)：

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