20世纪中叶以来,以钛合金为主的医用金属材料

【能源人都在看，点击右上角加'关注'】

20世纪中叶以来,以钛合金为主的医用金属材料开始在人体硬组织的眼科植入及人体软组织(包括心脑血管、外周血管及非血管如肾脏、胆道、尿道等)的介入诊治方面显示出奇特而神奇的效果,而钛合金人工关节、牙养殖体、血管内支架和肾脏瓣膜等具有中国医疗器械用钛合金材料研制、生产与应用、及典型代表性的医疗器械产品的问世,对医学的发展具有划时代的意义和革命性贡献,致使临床诊治从中级的简单“修复、矫形”治疗上升到更高层次的组织与脏器的“替代式”治疗,极大改善和增强了人们的生活质量,克服了往年重大病症只能单纯借助抗生素医治的不足。 #

1、钛合金材料在我国的发展历史

#

上世纪七十年代初,我国开始采用了国产钛及钛合金制品,在上海多家诊所,先后采用钛及钛合金人造腿骨与关节用于临床诊治应用和研究,制造的髋关节、肘关节、下颌骨等用于临床诊治患者。同时,一些诊所与公司的模拟人体汗液的曝晒实验,电物理阳极化实验和腐蚀动力学曲线的测定,证明了钛及钛合金人造腿骨与关节用于人体具有优异的耐腐蚀性,生物学反应也很小,是一种理想的人体植入物,对植入人体腿骨与关节进行热学性能也经过测定,觉得钛及钛合金的硬度满足了人体植入物的要求。 #

上世纪八十年代中期之后,我国钛材用于制造人体植入物的数目降低,其中钛形状记忆合金的开发与应用达到国际先进水平。到了九十年代中期,国产钛及钛合金加工材,在矫形骨科、神经内科、心血管系统、口腔鼻部内科、人体外培养机等方面广泛应用。近5年,国外一大批企业成为钛及碳钢等人体植入物生产企业。采用钛及钛合金制造的股腿骨、髋关节、肱骨、颅骨、膝关节、肘关节、肩关节、掌指关节、颌骨以及心辨膜、肾辨膜、血管扩张器、夹板、假体、紧固螺母等上百种金属件移植到人体中,取得了良好的疗效,被医学界给与了很高的评价。

2、生物医用钛合金材料的分类及特征 #

生物医用钛合金材料是专指用于生物医学工程的一类功能结构材料,主要用于眼科植入物和矫形器械等产品的生产和制造。根据骨科植入物和矫形器械专业标准,钛合金材料可划入“外科植入物用材料”中“金属材料”一类,而钛合金材料在非有源内科植入物、有源内科植入物和矫形器械三大类医疗器械中,可充当心血管、骨与关节、骨接合、脊柱、矫形器械、心脏除颤器与起搏器、耳蜗植入物、神经剌激器和其他植入产品的原材料。生物医用钛合金按材料显微组织类型可分为α型钛合金(如钴铬系列)、α+β型钛合金(如等)和β型钛合金(如等)以及TiNi形状记忆钛合金四大类,与医用碳钢和钴基合金相比,它们具有比重小、比硬度高、弹性挠度较低、耐腐蚀、易磨削加工以及较好的生物相容性等特征。 #

3、生物医用钛合金材料的研究开发现况 #

生物医用钛及其合金的发展可分为三个时代:第一个时代以钴铬和为代表,第二个时代是以T巧A12.5Fe和为代表的新型d+B型合金,第三个时代则是一个开发与研发更好生物相容性和更低弹性挠度钛合金的时代,其中以对B型钛合金的研究最为广泛。

1)以钴铬和为代表的第一代生物钛合金工业钴铬是最早被应用于这一领域的钛合金。目前使用钴铬植入件的临床经验比较成熟,但商用钴铬并不能提供医用负重材料所须要的综合热学性能,如钴铬的硬度较低,耐磨性较差等,限制了它的应用。其实冷加工可以降低钴铬的硬度,并且也难以满足实际须要。因而,人们开始考虑使用钛合金。因为其优异的生物相容性和良好的综合热学性能成为第一种被引入生物材料领域的钛合金,并且至今也是生物医疗器械产品中药量最大的钛合金。 #

2)以和.5Fe为代表的第二代新型Q+B型合金因为中富含潜在毒性元素V,80年代中期两种新型“q+B”型医用钛合金.5Fe和在法国得到了发展。 #

在热学性能方面与公认的“全能”合金相当,是一种安全且有发展潜力的人工生物医用植入体材料,1989年由德国成功开发。对于这些安全且有发展潜力的生物医用钛合金各国专家学者在不同方面展开了深入研究。

#

4、我国医疗器械用钛合金材料的生产现况 #

我国1992年首次发布了第一个《外科植入物用钛及钛合金加工材》国家标准GB/-1992,这标志着我国开始了专业化生产针对医疗器械应用的钛合金原材料。但20年后的明天,该国家标准虽经两次改版,我国目前只能生产钴铬(中国钢号TA1~TA4,法国对应钢号Gr1~Gr4)、(中国钢号TC4,德国对应钢号Gr5或Ti64)、(中国钢号TC20)三大类钛合金材料,尚没有一个β型钛合金列入国家标准,如表1所示。截止目前,钴铬和钛合金仍是国际上产销量最大、应用最广的眼科植入物用传统主体材料,其销售额约占全球整个生物医用钛合金市场的80%以上。

#

我国目前生产的眼科植入物用钛及钛合金加工材的品种涉及薄板(长度0.8~25mm)、棒材和丝材(半径1~90mm),供应状态可为热轧、热加工及固溶状态。我国新国标GB/-2007中规定的钛合金加工材在物理成份、力学性能和显微组织等指标等同采用德国ASTMF136-02a要求,但同时还降低了显微组织评级、断面收缩率和板、棒材超声检验等附加的技术要求。其实我国国标注确规定钛合金显微组织评级类型应符合A1~A9的a+b双相组织,但国产钛材供货时多数为粗晶的A3~A5级组织,且质量稳定性差;而法国进口钛材显微组织可达到细晶化的A1~A3组织,其中半径15mm以下的小尺寸薄板可达到A1级(等轴化的a、b相碳化物规格大于10μm),因此具有优良的强硬度、耐蚀性和机械铣削性能,这导致我国人工关节、牙养殖体、脊柱内固定系统等高档医疗器械产品加工仍需大量进口美国优质的钛合金材料,而国产医用钛材主要满足国外中高端医疗器械产品如接骨板和接骨螺丝等使用。2008年我国海棉钛和钛材产值已分别高踞世界首位和第二位,钛材消耗量已占全球第二位,成为继日本、美国、日本以后的钛工业大国,其中美、俄钛材消耗主要针对国防军用,而中、日主要针对工业民用。

#