医用钛合金的研究及应用现状

王运锋，何 蕾，郭 薇

(西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)

医用钛合金的研究及应用现状

王运锋，何 蕾，郭 薇

(西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)

综述了医用钛合金的发展历史，重点介绍了国内外新型医用β钛合金的研发现状，以及钛合金作为骨与关节替代物、牙科植入物、颅骨修复植入物、心血管修复材料等在临床治疗中的应用情况。指出，我国在医用钛合金的开发与应用中存在研究起步较晚，整体水平不高，相关产业基础薄弱，缺乏精细和深加工产品等问题。今后，我国不仅要大力开发低弹性模量的新型医用β钛合金，还要加快医用钛合金植入件的产业化发展，从而促进医用钛合金的应用。

医用钛合金；弹性模量；生物相容性；外科植入物

0 引 言

金属材料用于人体修复已有数百年的历史，早在18世纪后期，Fe、Au、Ag、Pt等金属就已经用于人体断骨固定[1]。与高分子材料、陶瓷材料等其他材料相比，金属材料作为医用材料具有强度高、韧性良好及加工性能好等特点，在整个生物材料市场所占份额达到40%左右[2]。目前，医用金属材料主要包括医用钛材、不锈钢材料和钴基合金这几大类。然而在人体环境内，不锈钢和钴基合金会溶出Ni、Cr和Co等元素，对人体产生毒副作用[3]。另外，不锈钢的弹性模量约为210 GPa，钴基合金的弹性模量约为240 GPa，远高于人体骨骼的弹性模量(约20～30 GPa)，容易产生“应力屏蔽”而导致种植体周围出现骨吸收，最终导致种植体松动或断裂[4]。而钛及钛合金尤其是β钛合金不仅具有较低的弹性模量，而且具有良好的抗蚀性和优良的生物相容性，因而在临床治疗中的应用越来越广泛。

1 医用钛合金的发展历史和研究现状

1.1 发展历史

20世纪60年代，纯钛作为人体植入物开始应用于临床。虽然纯钛材料在生理环境中有着优良的抗蚀性，但其强度低，耐磨损性能差，仅可用于承受载荷较小部位的骨替代及口腔修复[5]。随后应用于航空航天领域的TC4钛合金被引进到医学领域，解决了纯钛材料强度不能满足要求的问题，同时Ti-3Al-2.5V合金也开始在临床上被用做人体胫骨和股骨的替换材料[6-7]。到了20世纪80年代中期，临床应用中发现TC4钛合金人工髋关节周围的骨组织出现了黑化和感染现象，随后人们对此进行研究，证实TC4钛合金中所含的V元素会对生物体产生毒副作用，且生物毒性超过了Ni和Cr[8]。到20世纪90年代中期，德国和瑞士先后研制出第二代医用钛合金——无V的α+β型Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb合金[9-11]。但这类合金还是存在与骨骼弹性模量不匹配的问题，植入体容易松动或失效，而且这类合金还含有对人体存在潜在危害的Al元素。相比α钛合金和α+β钛合金，β钛合金的弹性模量低且强度和耐磨损性较高，因此，第三代医用钛合金——不含Al、V的低弹性模量β钛合金成为主要研发方向。

1.2 新型医用β钛合金的研发现状

1.2.1 国外新型医用β钛合金的研究

为了满足医疗领域对低弹性模量钛合金材料的要求，研究人员进行了大量无毒、无过敏性的新型β钛合金的研发工作，并已成功开发出了Ti-12Mo-6Zr-2Fe、Ti-12Mo-5Zr-5Sn、Ti-15Mo、Ti-16Nb-10Hf、Ti-13Nb-13Zr、Ti-15Mo-2.8Nb-0.2Si、Ti-30Ta、Ti-45Nb、Ti-35Zr-10Nb、Ti-35Nb-7Zr-5Ta、Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr、Ti-8Fe-8Ta和 Ti-8Fe-8Ta-4Zr等钛合金，主要用于人造牙根、人工髋关节、骨螺钉、接骨板和植入棒等植入体。这些新型β钛合金的弹性模量都比较低，对于减少“应力屏蔽”的发生，防止骨密度下降以及降低植入体的失效几率具有十分重要的意义[12]。

美国开发了多种低弹性模量的β钛合金。Ti-13Nb-13Zr合金是美国于1994年研制的一种医用β钛合金，并且是第一个被正式列入国际标准的低弹性模量医用钛合金[13]。TIMETAL 21SRx钛合金名义成分为Ti-15Mo-3Nb-0.2Si，是20世纪80年代美国为航天飞机用金属基复合材料而开发的[14]，随后也作为人体植入材料应用于医疗领域。为了保持该合金中β相的稳定性，其氧含量(约0.3%，质量分数)要比一般的钛合金高。与TC4钛合金相比，该合金有着较高的拉伸强度及较低的弹性模量(83 GPa)，且耐蚀性能更好。Ti-Osteum(Ti-35Nb-7Zr-5Ta)和TMZF(Ti-13Mo-7Zr-3Fe)是美国为制造人工髋关节而开发的两种β钛合金，其弹性模量较低，接近于人体骨骼，有利于人体骨骼与植入体之间的应力缓冲和传递。美国还研制了一种亚稳态β钛合金——TMZFTM(Ti-12Mo-6Zr-2Fe)，该合金从高温(754 ℃或以上)快速冷却后，能够保持全β组织。通过固溶处理，这种全β组织会析出细小的α相，能够进一步提高TMZFTM钛合金的强度。TMZFTM钛合金的强度高、弹性模量低、耐蚀性能及耐磨损性能优良，很适合制作矫形类医疗器件，且已经投入临床使用[15]。

日本研究人员参照d电子合金的设计方法，设计出由Ta、Nb、Zr、Sn和Mo等无毒合金元素组成的新型β钛合金[16]。这类钛合金具有较高强度和较低弹性模量，主要为Ti-Nb-Ta-Mo、Ti-Nb-Ta-Sn和Ti-Nb-Ta-Zr系合金，其作为人体植入物材料具有很好的应用前景。典型代表如Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金，该合金除了具有与TC4钛合金相媲美的耐磨性和力学性能，还有较低的弹性模量。日本还成功研制了置换型植入物用β钛合金Ti-30Zr-Mo(用于可拆卸的植入体)[17]，正在开发的还有杨氏模量自调整型β钛合金Ti-12Cr[18]、置换型植入物用杨氏模量自调整型β钛合金Ti-30Zr-(Cr,Mo)[19]。在移植手术过程中，杨氏模量自调整型钛合金可通过变形产生相变来阻止回弹。近几年来，为了降成本，日本又开发了多种低成本医用钛合金，主要有Ti-Fe-Nb-Zr、Ti-Mn、Ti-Cr-Al、Ti-Cr-Sn-Zr、Ti-Sn-Cr等系列[14,20]。

俄罗斯研发了一种弹性模量仅为47 GPa的医用钛合金，即Ti-51Zr-18Nb(at.%)，其可逆变形量为2.83%。该合金具有如此低的弹性模量，是由于Ti的原子半径比Zr小，当Nb元素添加到Ti-Zr二元合金中时，合金的电子结构发生了特殊变化，从而形成机械不稳定β相(在变形过程中会发生β→ω相变)[21]。

1.2.2 国内新型医用β钛合金的研究

我国自“十五”期间开始进行新型医用β钛合金的研究。2005年，西北有色金属研究院开发出两类近β型医用钛合金——TLE(名义成分Ti-(3～6)Zr-(2～4)Mo-(24～27)Nb)和TLM(名义成分Ti-(1.5～4.5) Zr-(0.5～5.5)Sn-(1.5～4.4)Mo-(23.5～26.5) Nb)。这两种合金不仅有着较高的强度和良好的韧性，而且加工成形性能良好。中科院金属研究所经过多年研究，研制出一种具有高强度、低弹性模量、超弹性和阻尼性能的多功能柔韧钛合金——Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金(Ti-2448)[22]。2008年以来，以Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金加工的多种医用植入器件陆续通过了国家食品药品监督管理局的检验，并进入批量应用阶段。华南理工大学[23]采用粉末冶金法得到了一种高强度低弹性模量的医用钛合金——(Ti69.7Nb23.7Zr4.9Ta1.7)94Fe6，其压缩屈服强度为2 425 MPa，断裂强度为2 650 MPa，平均弹性模量仅为52 GPa，且耐磨性优于常用的医用钛合金Ti-6Al-4V和Ti-13Nb-13Zr。河北工业大学研制的新型钛合金Ti-30Nb-8Zr-2Mo，硬度和弹性模量均达到种植体材料的性能要求[24]。北京科技大学宋西平教授等[25]研究了钛合金相结构变化对钛合金弹性模量的影响规律，据此设计开发出了一种弹性模量仅为38.8 GPa的低模量医用钛合金，其弹性模量低于国内外已报道的同类材料。该研究为开发医用低弹性模量钛合金积累了大量数据，提供了新的思路与方向。

表1是世界各国开发的典型医用β钛合金性能对比[26-27]。从表1可以看出，第三代医用钛合金弹性模量均较低，美国的Ti-35Nb-5Ta-7Zr合金和我国的Ti-2448合金的弹性模量甚至达到了50 GPa级别，与人体骨骼的弹性模量接近。

表1 新型医用β钛合金性能对比Table 1 The performance comparison for novel medical titanium alloy

2 钛合金在临床治疗中的应用

医用钛合金主要用于生产和制造外科植入物和矫形器械产品，如牙种植体、人工关节和血管支架等。按照矫形器械与外科植入产品专业标准，医用钛材被归入“外科植入物用材料”中的“金属材料”一类。以下按我国外科植入物和矫形器械分类目录中所涉及的钛及钛合金产品类型(见表2)介绍其在临床治疗中的应用。

2.1 骨与关节替代物

钛及钛合金密度较小，弹性模量低，可以避免局部骨吸收现象的产生，因而是十分优良的人工骨、关节等硬组织替换材料。人工髋关节假体的髋臼杯和骰骨柄通常用钛及钛合金来制造，见图1[28]。髋臼固定后，关节头可以在髋臼杯里自由活动。人工膝关节也常采用钛及钛合金制备，由胫骨部件、股骨部件和髌骨部件三部分组成。

骨与关节替代物在人体内会受到人体的扭转、弯曲、挤压、肌肉收缩力等作用，因此对植入物的强度和韧性要求很高。在人体受力小的部位可以用纯钛，在人体受力大的部位可以用TC4钛合金。1985年，瑞士Sulzer公司采用Ti-6Al-7Nb合金制造人工髋关节柄并得到应用。2000年，该公司的人工髋关节柄进入中国，每年的销售量达到几万套。目前我国人工关节加工所需的优质钛材仍依赖进口，而国内生产的医用钛材主要用来满足国内中低端医用产品如接骨螺钉和接骨板等使用[29]。2010年我国生产销售的医用纯钛及Ti-6Al-4V合金材料已达到1 084 t，其中出口约占20%。我国每年生产医用 Ti-6Al-7Nb合金材料上百吨，但几乎全部出口国外，国内尚无实际应用。

表2 我国外科植入物和矫形器械分类目录中涉及的钛合金典型产品Table 2 Typical titanium alloy products involved in the contents of surgical implants and orthopedic devices

图1 钛合金人工髋关节假体照片Fig.1 Photo of titanium alloy artificial hip

2.2 牙科植入物

钛及钛合金被广泛用作牙齿修复材料，其优点主要有：①钛在酸性和碱性环境下溶化量少，没有银合金存在的腐蚀、变色问题；②对人体有很好的安全性，不会出现镍合金引起的超敏反应；③纯钛的密度仅为4.50 g/cm3，与自然牙齿的密度接近，制作的牙床重量轻，镶牙装着感好；④纯钛的热传导率低，对牙髓无刺激性；⑤与传统的牙床材料相比，具有咀嚼时不改变食物味道的特性。因此，钛及钛合金是迄今为止临床应用效果最佳的牙科材料。表3列出了钛及钛合金在牙科中的主要用途。可以看出，纯钛和TC4钛合金是牙科领域使用的主要材料。

表3 钛及钛合金在牙科中的用途Table 3 Use of titanium and titanium alloys in dentistry

瑞典开发的Ti-6Al-7Nb合金[8]以及日本开发的Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金[30]对于牙科应用也具有很强的吸引力。牙科领域所用钛材通常采用精密铸造成形，因此具有较高的强度，但延伸率较低。为此，研究者们进行了大量提高其延伸率的研究，主要方法有热处理(如α-β固溶处理、β固溶处理等)、破碎α相结构以及热塑性变形及后热处理等。

2.3 颅骨修复植入物

开颅手术通常会造成颅骨缺损，目前临床上通常用钛网修复缺损的颅骨。进行修复时，为了使修补体与患者原颅骨较好地嵌合，在术前或术中医生需根据患者缺损部位的大小和形状，在钛网上剪很多豁口，并在患者头上比较后反复修型、剪缝，直到符合患者缺损部位的要求。这样不仅会增加钛钉的使用量，降低钛网的强度，而且增加了手术时间。近年来，人们开发出一种CT三维重建软件系统，利用该系统可得到患者颅骨缺损部位的CT三维数据，并通过数字化钛网成形机制备出与患者颅骨缺损部位完全一致的钛网修复体(如图2)[31]。临床应用表明，采用这种技术不仅大大提高了手术精度，缩短了手术时间和钛钉使用量，降低了手术复杂度，而且减少了术后并发症，提高了患者的生活质量[32]。

图2 三维数字化成形钛网修复体照片Fig.2 Photo of 3D digital shaping titanium mesh restoration

2.4 心血管修复材料

钛及钛合金在人体心血管方面应用的实例有人造心脏瓣膜、血液过滤器、心脏起搏器和人工心脏泵等。其优点主要有：①强度高，化学稳定性好，生物相容性优良；②钛具有无磁性，在磁共振图谱MRI中很少产生假象；③NiTi记忆合金具有的弹性能力和形状恢复功能非常适合于医学方面的应用。NiTi合金在低温(零度附近)时呈马氏体态，很容易变成易于导入人体内的形状，当温度升高到体温时，会产生逆相变，从而恢复到原来设定的形状，并产生较大的回复力起到矫形及支撑作用。近些年，NiTi形状记忆合金在血管支架上的应用备受关注。然而，NiTi合金在生理条件下可能溶出Ni离子，从而诱发毒性和炎性反应。为此，研究人员对该合金进行了大量表面改性研究，主要方法有表面惰性涂层化、表面氧化、表面活性化和表面接枝大分子等[33]，虽然立足点各不相同，但均可以有效抑制Ni离子的溶出，改善NiTi合金的抗腐蚀性和生物相容性。

据有关资料[35]，我国成人风湿性心脏病的发病率为2.34%～2.72%，按总人口推算成年风湿性心脏病患者约190万人。因瓣膜病变严重需要实施人造心脏瓣膜置换手术的病人约25万例，而实际人工心脏瓣膜用量只有2.5万支，国产率在30%左右；起搏器的年需求量在40万台左右，实用量为2万台，国产率仅为1%，而冠脉支架产品的国产率较高，达到了50%左右。

2.5 其他应用

除以上应用外，钛及钛合金还是优良的人体骨接合材料和脊柱植入物材料。典型的骨接合材料包括骨螺钉、接骨板、上颌面植入体等。骨螺钉可以单独用来固定断骨，也可以与接骨板或其他器件一起来固定断骨。经过喷砂、等离子喷涂、蚀刻等处理的钛及钛合金能够促进表面类骨磷灰石的形成，可以提高骨结合强度，缩短骨愈合过程。同其他金属材料(不锈钢、钴铬钼合金等)相比较，使用钛及钛合金的优势主要有4点：①密度小，比强度高，可大幅度减轻患者的负荷；②弹性模量低，与人体骨骼更匹配；③无毒性，作为植入物对人体无毒副作用；④生物相容性好，只进行一次手术即可，骨折愈合后不用二次手术去除。

据报道[36]，我国每年大概有300万人次做骨折手术，其中，接骨板需求量为200万套左右，人工关节约25万个，脊柱装置约40万个，市场规模约120亿元。中国已经成为世界上临床手术量仅次于美国的第二大国家。随着我国人口老龄化的到来，未来10～15年骨科产业年均复合增长率约为15%～20%。尽管我国目前已实现钛制骨螺钉、接骨板等常规产品国产化，但由于质量等问题仍需大量进口。

3 结 语

医用钛合金材料以其优良的性能，在医疗领域的用量不断增加。尤其是近些年，随着我国国民经济的高速发展、人口老龄化问题和医药卫生体制的改革，医疗器械产品存在巨大的潜在市场。但与国外发达国家相比，我国医用钛合金材料的开发与应用研究还存在着一定差距，整体水平不高，跟踪研究多，创新应用少，相关产业基础薄弱，缺乏精细和深加工产品。为促进我国医用钛合金的发展，提出以下意见：①开发新型β钛合金，优化合金元素，避免加入有毒元素和高熔点元素；②加强医用钛合金的表面改性研究，包括提高生物活性、耐磨损性及耐腐蚀性等方面的研究；③开发低成本的生物医用β钛合金，使普通人群也能够用得起钛合金植入件；④加快医用钛合金植入件的产业化发展，扩大医用钛合金的应用；⑤加快新型医用钛合金标准化工作进展。

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Research and Application of Medical Titanium Alloy

Wang Yunfeng, He Lei, Guo Wei

The development of medical titanium alloys was reviewed in this paper. The research status of new medicalβtitanium alloys at home and abroad were introduced, and the application situation of titanium alloys in bone and joint replacement, dentistry, skull defect repair, and cardiovascular materials was presented. The development and application of medical research started late in our country, the overall level is not high, industrial basis is weak, fine and processed products is lack. In the future, in order to promote the application of medical titanium alloy, our country should not only to research new medicalβtitanium alloy with low elastic modulus, but also to accelerate the industrial development of medical titanium implants.

medical titanium alloy; elastic modulus; biocompatibility; surgical implants

2014-11-25

王运锋(1972—)，男，工程师。

(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research,Xi’an 710016, China)