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生物醫用鈦合金

生物醫用材料是指和生物系統相作用,用以診斷、治療修復或替代機體中的組織、器官或增進(jìn)其功能的材料??煞譃獒t用金屬材料、醫用高分子材料、醫用陶瓷材料等,其中醫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,對人體組織具有良好的生物相容性、無(wú)毒副作用,具有其他材料無(wú)法比擬的優(yōu)勢,所以醫用鈦在醫療領(lǐng)域得到了廣泛的應用。

生物醫用鈦合金的優(yōu)勢

  • 生物相容性:與人體發(fā)生***小的生物學(xué)反應,無(wú)毒無(wú)磁,作為人體植入物,對人體無(wú)毒副作用。

  • 力學(xué)性能:高強度、低彈性模量,既滿(mǎn)足力學(xué)要求,又與人體自然骨彈性模量相近,可減少應力屏蔽效應,更有利于人骨的生長(cháng)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荷量。

生物醫用鈦合金發(fā)展歷程

金屬材料是人類(lèi)生物醫學(xué)發(fā)展史上***早用于創(chuàng )傷修復和矯形治療的傳統材料。從20世紀30年代起,CoCr合金、不銹鋼曾先后被用于醫學(xué)領(lǐng)域并成為目前傳統的醫用金屬材料;20世紀 40 年代,性能更優(yōu)異的生物醫用鈦得到研究并證明了其臨床可行性。生物醫用鈦合金經(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廣泛用于外科修復或替換材料。

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

  • 1990年-至今:90年代初期開(kāi)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(kāi)啟了具有優(yōu)異性能的生物醫用β鈦合金的開(kāi)發(fā)和使用。

國內研究現狀及問(wèn)題

我國從20世紀70年代開(kāi)始醫用鈦合金材料的研究和應用,經(jīng)過(guò)前期對Ti-6Al-4V 、Ti-6Al-7Nb、Ti-5Al-2.5Fe醫用鈦合金的仿制研究,早在1999年西北有色金屬研究院在國內首次研制出******個(gè)具有我國自主知識產(chǎn)權近α型新型醫用鈦合金TAMZ(Ti-2.5Al-2.5Mo-2.5Zr),綜合性能與Ti-6Al-7Nb相當。

在2005年,西北有色院又研制出兩種新型高強低模量近β型醫用鈦合金TiZrMoNb(TLE)和Ti Zr Sn Mo Nb (TLM)。中科院金屬所也開(kāi)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(kāi)展新型β型鈦合金的應用及相關(guān)基礎研究。

基于我國國情,擁有約13億人口和6000萬(wàn)殘疾人的大國,而且我國正步入老齡化社會(huì ),為此要提供大量?jì)?yōu)質(zhì)的生物醫用材料及器件以供臨床診治的需要。而我國在醫用種植體方面的研究起步較晚,目前人工關(guān)節近一半需要進(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(kāi)發(fā)無(wú)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。

生物醫用鈦合金分類(lèi)及性能

生物醫用鈦合金按材料顯微組織類(lèi)型可分為α型、α+β型和β型鈦合金三類(lèi)。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***有應用前景的生物醫用鈦合金。

表1是各種生物醫用鈦合金的力學(xué)性能。圖1表明各種生物醫用合金的彈性模量和人體骨彈性模量的比較??梢钥闯? 第二代生物醫用鈦合金彈性模量明顯比******代低 ,合金設計時(shí)Nb含量有增加的趨勢且都是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(kāi)發(fā)較低彈性模量的生物醫用β型鈦合金已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前國內外研究***為廣泛的生物醫用超彈性β鈦合金是Ti-Nb系超彈性β鈦合

表1 生物醫用鈦合金的力學(xué)性能

圖1 生物醫用合金的彈性模量

常用生物醫用β鈦合金

近年來(lái)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(wú)毒元素取代)已研制成功的部分醫用低模量的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,適合作為醫用金屬材料,目前對其研究開(kāi)展較多。

應用舉例

生物醫用鈦合金優(yōu)異生物醫用特性,使其廣泛的應用如下

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生物醫用鈦合金未來(lái)發(fā)展方向

近年來(lái),鈦合金在生物醫用領(lǐng)域的應用呈快速發(fā)展的趨勢。這也將對鈦合金的性能提出更高的要求,結合國內外當前的研究現狀,得出生物醫用鈦合金未來(lái)發(fā)展方向如下:

相關(guān)企業(yè)及研究機構

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

國外企業(yè)及研究機構

國內企業(yè)及研究機構

STRYKER(美國)

寶鈦集團

Zimmer(美國)

英耐特醫用鈦有限公司

德國克魯伯

百幕航材

Terumo(日本)

西北有色金屬研究院

Sulzer(瑞士)

北京有色金屬研究總院

……

沈陽(yáng)金屬研究所

參考文獻

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