王運鋒，何蕾，郭薇（西北有色金屬研究院，陜西西安710016)
摘要：綜述了醫用鈦合金的發展歷史，重點介紹了國內外新型醫用β鈦合金的研發現狀，以及鈦合金作為骨與關節替代物、牙科植入物、顱骨修復植入物、心血管修復材料等在臨床治療中的應用情況。指出，我國在醫用鈦合金的開發與應用中存在研究起步較晚，整體水平不高，相關產業基礎薄弱，缺乏精細和深加工產品等問題。今后，我國不僅要大力開發低彈性模量的新型醫用β鈦合金，還要加快醫用鈦合金植入件的產業化發展，從而促進醫用鈦合金的應用。
關鍵詞：醫用鈦合金；彈性模量；生物相容性；外科植入物
0引言
金屬材料用于人體修復已有數百年的歷史，早在18世紀后期，Fe、Au、Ag、Pt等金屬就已經用于人體斷骨固定［1］。與高分子材料、陶瓷材料等其他材料相比，金屬材料作為醫用材料具有強度高、韌性良好及加工性能好等特點，在整個生物材料市場所占份額達到40%左右［2］。目前，醫用金屬材料主要包括醫用鈦材、不銹鋼材料和鈷基合金這幾大類。然而在人體環境內，不銹鋼和鈷基合金會溶出Ni、Cr和Co等元素，對人體產生毒副作用［3］。另外，不銹鋼的彈性模量約為210GPa，鈷基合金的彈性模量約為240GPa，遠高于人體骨骼的彈性模量（約20～30GPa），容易產生“應力屏蔽”而導致種植體周圍出現骨吸收，最終導致種植體松動或斷裂［4］。而鈦及鈦合金尤其是β鈦合金不僅具有較低的彈性模量，而且具有良好的抗蝕性和優良的生物相容性，因而在臨床治療中的應用越來越廣泛。
1醫用鈦合金的發展歷史和研究現狀
1.1發展歷史20世紀60年代，純鈦作為人體植入物開始應用于臨床。雖然純鈦材料在生理環境中有著優良的抗蝕性，但其強度低，耐磨損性能差，僅可用于承受載荷較小部位的骨替代及口腔修復［5］。隨后應用于航空航天領域的TC4鈦合金被引進到醫學領域，解決了純鈦材料強度不能滿足要求的問題，同時Ti-3Al-2.5V合金也開始在臨床上被用做人體脛骨和股骨的替換材料［6－7］。到了20世紀80年代中期，臨床應用中發現TC4鈦合金人工髖關節周圍的骨組織出現了黑化和感染現象，隨后人們對此進行研究，證實TC4鈦合金中所含的V元素會對生物體產生毒副作用，且生物毒性超過了Ni和Cr［8］。到20世紀90年代中期，德國和瑞士先后研制出第二代醫用鈦合金———無V的α+β型Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb合金［9－11］。但這類合金還是存在與骨骼彈性模量不匹配的問題，植入體容易松動或失效，而且這類合金還含有對人體存在潛在危害的Al元素。相比α鈦合金和α+β鈦合金，β鈦合金的彈性模量低且強度和耐磨損性較高，因此，第三代醫用鈦合金———不含Al、V的低彈性模量β鈦合金成為主要研發方向。
1.2新型醫用β鈦合金的研發現狀
1.2.1國外新型醫用β鈦合金的研究
為了滿足醫療領域對低彈性模量鈦合金材料的要求，研究人員進行了大量無毒、無過敏性的新型β鈦合金的研發工作，并已成功開發出了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等鈦合金，主要用于人造牙根、人工髖關節、骨螺釘、接骨板和植入棒等植入體。這些新型β鈦合金的彈性模量都比較低，對于減少“應力屏蔽”的發生，防止骨密度下降以及降低植入體的失效幾率具有十分重要的意義［12］。
美國開發了多種低彈性模量的β鈦合金。Ti-13Nb-13Zr合金是美國于1994年研制的一種醫用β鈦合金，并且是第一個被正式列入國際標準的低彈性模量醫用鈦合金［13］。TImetaL21SＲx鈦合金名義成分為Ti-15Mo-3Nb-0.2Si，是20世紀80年代美國為航天飛機用金屬基復合材料而開發的［14］，隨后也作為人體植入材料應用于醫療領域。為了保持該合金中β相的穩定性，其氧含量（約0.3%，質量分數）要比一般的鈦合金高。與TC4鈦合金相比，該合金有著較高的拉伸強度及較低的彈性模量（83GPa），且耐蝕性能更好。Ti-Osteum（Ti-35Nb-7Zr5Ta）和TMZF（Ti-13Mo-7Zr-3Fe）是美國為制造人工髖關節而開發的兩種β鈦合金，其彈性模量較低，接近于人體骨骼，有利于人體骨骼與植入體之間的應力緩沖和傳遞。美國還研制了一種亞穩態β鈦合金———TMZFTM（Ti-12Mo-6Zr-2Fe），該合金從高溫（754℃或以上）快速冷卻后，能夠保持全β組織。通過固溶處理，這種全β組織會析出細小的α相，能夠進一步提高TMZFTM鈦合金的強度。TMZFTM鈦合金的強度高、彈性模量低、耐蝕性能及耐磨損性能優良，很適合制作矯形類醫療器件，且已經投入臨床使用［15］。
日本研究人員參照d電子合金的設計方法，設計出由Ta、Nb、Zr、Sn和Mo等無毒合金元素組成的新型β鈦合金［16］。這類鈦合金具有較高強度和較低彈性模量，主要為Ti-Nb-Ta-Mo、Ti-Nb-Ta-Sn和Ti-Nb-Ta-Zr系合金，其作為人體植入物材料具有很好的應用前景。典型代表如Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金，該合金除了具有與TC4鈦合金相媲美的耐磨性和力學性能，還有較低的彈性模量。日本還成功研制了置換型植入物用β鈦合金Ti-30Zr-Mo（用于可拆卸的植入體）［17］，正在開發的還有楊氏模量自調整型β鈦合金Ti-12Cr［18］、置換型植入物用楊氏模量自調整型β鈦合金Ti-30Zr-（Cr，Mo）［19］。在移植手術過程中，楊氏模量自調整型鈦合金可通過變形產生相變來阻止回彈。近幾年來，為了降成本，日本又開發了多種低成本醫用鈦合金，主要有Ti-Fe-Nb-Zr、Ti-Mn、Ti-Cr-Al、Ti-Cr-Sn-Zr、Ti-Sn-Cr等系列［14，20］。
俄羅斯研發了一種彈性模量僅為47GPa的醫用鈦合金，即Ti-51Zr-18Nb（at.%），其可逆變形量為2.83%。該合金具有如此低的彈性模量，是由于Ti的原子半徑比Zr小，當Nb元素添加到Ti-Zr二元合金中時，合金的電子結構發生了特殊變化，從而形成機械不穩定β相（在變形過程中會發生β→ω相變）［21］。
1.2.2國內新型醫用β鈦合金的研究
我國自“十五”期間開始進行新型醫用β鈦合金的研究。2005年，西北有色金屬研究院開發出兩類近β型醫用鈦合金———TLE（名義成分Ti-（3～6）Zr-（2～4）Mo-（24～27）Nb）和TLM（名義成分Ti-（1.5～4.5）Zr-（0.5～5.5）Sn-（1.5～4.4）Mo-（23.5～26.5）Nb）。這兩種合金不僅有著較高的強度和良好的韌性，而且加工成形性能良好。中科院金屬研究所經過多年研究，研制出一種具有高強度、低彈性模量、超彈性和阻尼性能的多功能柔韌鈦合金——Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金（Ti-2448）［22］。2008年以來，以Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金加工的多種醫用植入器件陸續通過了國家食品藥品監督管理局的檢驗，并進入批量應用階段。華南理工大學［23］采用粉末冶金法得到了一種高強度低彈性模量的醫用鈦合金（Ti69.7Nb23.7Zr4.9Ta1.7）94Fe6，其壓縮屈服強度為2425MPa，斷裂強度為2650MPa，平均彈性模量僅為52GPa，且耐磨性優于常用的醫用鈦合金Ti-6Al-4V和Ti-13Nb-13Zr。河北工業大學研制的新型鈦合金Ti-30Nb-8Zr-2Mo，硬度和彈性模量均達到種植體材料的性能要［24］。北京科技大學宋西平教授等［25］研究了鈦合金相結構變化對鈦合金彈性模量的影響規律，據此設計開發出了一種彈性模量僅為38.8GPa的低模量醫用鈦合金，其彈性模量低于國內外已報道的同類材料。該研究為開發醫用低彈性模量鈦合金積累了大量數據，提供了新的思路與方向。表1是世界各國開發的典型醫用β鈦合金性能對比［26－27］。從表1可以看出，第三代醫用鈦合金彈性模量均較低，美國的Ti-35Nb-5Ta-7Zr合金和我國的Ti-2448合金的彈性模量甚至達到了50GPa級別，與人體骨骼的彈性模量接近。
表1新型醫用β鈦合金性能對比
Table1Theperformancecomparisonfornovelmedicaltitaniumalloy
2鈦合金在臨床治療中的應用
醫用鈦合金主要用于生產和制造外科植入物和矯形器械產品，如牙種植體、人工關節和血管支架等。按照矯形器械與外科植入產品專業標準，醫用鈦材被歸入“外科植入物用材料”中的“金屬材料”一類。以下按我國外科植入物和矯形器械分類目錄中所涉及的鈦及鈦合金產品類型（見表2）介紹其在臨床治療中的應用。
2.1骨與關節替代物
鈦及鈦合金密度較，彈性模量低，可以避免局部骨吸收現象的產生，因而是十分優良的人工骨、關節等硬組織替換材料。人工髖關節假體的髖臼杯和骰骨柄通常用鈦及鈦合金來制造，見圖1［28］。髖臼固定后，關節頭可以在髖臼杯里自由活動。人工膝關節也常采用鈦及鈦合金制備，由脛骨部件、股骨部件和髕骨部件三部分組成。
骨與關節替代物在人體內會受到人體的扭轉曲、擠壓、肌肉收縮力等作用，因此對植入物的強度和韌性要求很高。在人體受力小的部位可以用純鈦，在人體受力大的部位可以用TC4鈦合金。1985年，瑞士Sulzer公司采用Ti-6Al-7Nb合金制造人工髖關節柄并得到應用。2000年，該公司的人工髖關節柄進入中國，每年的銷售量達到幾萬套。目前我國人工關節加工所需的優質鈦材仍依賴進口，而國內生產的醫用鈦材主要用來滿足國內中低端醫用產品如接骨螺釘和接骨板等使用［29］。2010年我國生產銷售的醫用純鈦及Ti-6Al-4V合金材料已達到1084t,其中出口約占20%。我國每年生產醫用Ti-6Al-7Nb合金材料上百噸，但幾乎全部出口國外，國內尚無實際應用。2.2牙科植入物鈦及鈦合金被廣泛用作牙齒修復材料，其優點主要有：①鈦在酸性和堿性環境下溶化量少，沒有銀合金存在的腐蝕、變色問題；②對人體有很好的安全性，不會出現鎳合金引起的超敏反應；③純鈦的密度僅為4.50g/cm3，與自然牙齒的密度接近，制作的牙床重量輕，鑲牙裝著感好；④純鈦的熱傳導率低，對牙髓無刺激性；⑤與傳統的牙床材料相比，具有咀嚼時不改變食物味道的特性。因此，鈦及鈦合金是迄今為止臨床應用效果最佳的牙科材料。表3列出了鈦及鈦合金在牙科中的主要用途。可以看出，純鈦和TC4鈦合金是牙科領域使用的主要材料。
表2我國外科植入物和矯形器械分類目錄中涉及的鈦合金典型產品
Table2Typicaltitaniumalloyproductsinvolvedinthecontentsofsurgicalimplantsandorthopedicdevices
圖1鈦合金人工髖關節假體照片
Fig.1Photooftitaniumalloyartificialhip
表3鈦及鈦合金在牙科中的用途
Table3Useoftitaniumandtitaniumalloysindentistry
瑞典開發的Ti-6Al-7Nb合金［8］以及日本開發的Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金［30］對于牙科應用也具有很強的吸引力。牙科領域所用鈦材通常采用精密鑄造成形，因此具有較高的強度，但延伸率較低。為此，研究者們進行了大量提高其延伸率的研究，主要方法有熱處理（如α-β固溶處理、β固溶處理等）、破碎α相結構以及熱塑性變形及后熱處理等。2.3顱骨修復植入物開顱手術通常會造成顱骨缺損，目前臨床上通常用鈦網修復缺損的顱骨。進行修復時，為了使修補體與患者原顱骨較好地嵌合，在術前或術中醫生需根據患者缺損部位的大小和形狀，在鈦網上剪很多豁口，并在患者頭上比較后反復修型、剪縫，直到符合患者缺損部位的要求。這樣不僅會增加鈦釘的使用量，降低鈦網的強度，而且增加了手術時間。近年來，人們開發出一種CT三維重建軟件系統，利用該系統可得到患者顱骨缺損部位的CT三維數據，并通過數字化鈦網成形機制備出與患者顱骨缺損部位完全一致的鈦網修復體（如圖2）
［31］。臨床應用表明，采用這種技術不僅大大提高了手術精度，縮短了手術時間和鈦釘使用量，降低了手術復雜度，而且減少了術后并發癥，提高了患者的生活質量［32］。
2.4心血管修復材料
鈦及鈦合金在人體心血管方面應用的實例有人造心臟瓣膜、血液過濾器、心臟起搏器和人工心臟泵等。
圖2三維數字化成形鈦網修復體照片
Fig.2Photoof3Ddigitalshapingtitaniummeshrestoration
其優點主要有：
①強度高，化學穩定性好，生物相容性優良；
②鈦具有無磁性，在磁共振圖譜MＲI中很少產生假象；
③NiTi記憶合金具有的彈性能力和形狀恢復功能非常適合于醫學方面的應用NiTi合金在低溫（零度附近）時呈馬氏體態，很容易變成易于導入人體內的形狀，當溫度升高到體溫時會產生逆相變，從而恢復到原...
摘要：綜述了醫用鈦合金的發展歷史，重點介紹了國內外新型醫用β鈦合金的研發現狀，以及鈦合金作為骨與關節替代物、牙科植入物、顱骨修復植入物、心血管修復材料等在臨床治療中的應用情況。指出，我國在醫用鈦合金的開發與應用中存在研究起步較晚，整體水平不高，相關產業基礎薄弱，缺乏精細和深加工產品等問題。今后，我國不僅要大力開發低彈性模量的新型醫用β鈦合金，還要加快醫用鈦合金植入件的產業化發展，從而促進醫用鈦合金的應用。
關鍵詞：醫用鈦合金；彈性模量；生物相容性；外科植入物
0引言
金屬材料用于人體修復已有數百年的歷史，早在18世紀后期，Fe、Au、Ag、Pt等金屬就已經用于人體斷骨固定［1］。與高分子材料、陶瓷材料等其他材料相比，金屬材料作為醫用材料具有強度高、韌性良好及加工性能好等特點，在整個生物材料市場所占份額達到40%左右［2］。目前，醫用金屬材料主要包括醫用鈦材、不銹鋼材料和鈷基合金這幾大類。然而在人體環境內，不銹鋼和鈷基合金會溶出Ni、Cr和Co等元素，對人體產生毒副作用［3］。另外，不銹鋼的彈性模量約為210GPa，鈷基合金的彈性模量約為240GPa，遠高于人體骨骼的彈性模量（約20～30GPa），容易產生“應力屏蔽”而導致種植體周圍出現骨吸收，最終導致種植體松動或斷裂［4］。而鈦及鈦合金尤其是β鈦合金不僅具有較低的彈性模量，而且具有良好的抗蝕性和優良的生物相容性，因而在臨床治療中的應用越來越廣泛。
1醫用鈦合金的發展歷史和研究現狀
1.1發展歷史20世紀60年代，純鈦作為人體植入物開始應用于臨床。雖然純鈦材料在生理環境中有著優良的抗蝕性，但其強度低，耐磨損性能差，僅可用于承受載荷較小部位的骨替代及口腔修復［5］。隨后應用于航空航天領域的TC4鈦合金被引進到醫學領域，解決了純鈦材料強度不能滿足要求的問題，同時Ti-3Al-2.5V合金也開始在臨床上被用做人體脛骨和股骨的替換材料［6－7］。到了20世紀80年代中期，臨床應用中發現TC4鈦合金人工髖關節周圍的骨組織出現了黑化和感染現象，隨后人們對此進行研究，證實TC4鈦合金中所含的V元素會對生物體產生毒副作用，且生物毒性超過了Ni和Cr［8］。到20世紀90年代中期，德國和瑞士先后研制出第二代醫用鈦合金———無V的α+β型Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb合金［9－11］。但這類合金還是存在與骨骼彈性模量不匹配的問題，植入體容易松動或失效，而且這類合金還含有對人體存在潛在危害的Al元素。相比α鈦合金和α+β鈦合金，β鈦合金的彈性模量低且強度和耐磨損性較高，因此，第三代醫用鈦合金———不含Al、V的低彈性模量β鈦合金成為主要研發方向。
1.2新型醫用β鈦合金的研發現狀
1.2.1國外新型醫用β鈦合金的研究
為了滿足醫療領域對低彈性模量鈦合金材料的要求，研究人員進行了大量無毒、無過敏性的新型β鈦合金的研發工作，并已成功開發出了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等鈦合金，主要用于人造牙根、人工髖關節、骨螺釘、接骨板和植入棒等植入體。這些新型β鈦合金的彈性模量都比較低，對于減少“應力屏蔽”的發生，防止骨密度下降以及降低植入體的失效幾率具有十分重要的意義［12］。
美國開發了多種低彈性模量的β鈦合金。Ti-13Nb-13Zr合金是美國于1994年研制的一種醫用β鈦合金，并且是第一個被正式列入國際標準的低彈性模量醫用鈦合金［13］。TImetaL21SＲx鈦合金名義成分為Ti-15Mo-3Nb-0.2Si，是20世紀80年代美國為航天飛機用金屬基復合材料而開發的［14］，隨后也作為人體植入材料應用于醫療領域。為了保持該合金中β相的穩定性，其氧含量（約0.3%，質量分數）要比一般的鈦合金高。與TC4鈦合金相比，該合金有著較高的拉伸強度及較低的彈性模量（83GPa），且耐蝕性能更好。Ti-Osteum（Ti-35Nb-7Zr5Ta）和TMZF（Ti-13Mo-7Zr-3Fe）是美國為制造人工髖關節而開發的兩種β鈦合金，其彈性模量較低，接近于人體骨骼，有利于人體骨骼與植入體之間的應力緩沖和傳遞。美國還研制了一種亞穩態β鈦合金———TMZFTM（Ti-12Mo-6Zr-2Fe），該合金從高溫（754℃或以上）快速冷卻后，能夠保持全β組織。通過固溶處理，這種全β組織會析出細小的α相，能夠進一步提高TMZFTM鈦合金的強度。TMZFTM鈦合金的強度高、彈性模量低、耐蝕性能及耐磨損性能優良，很適合制作矯形類醫療器件，且已經投入臨床使用［15］。
日本研究人員參照d電子合金的設計方法，設計出由Ta、Nb、Zr、Sn和Mo等無毒合金元素組成的新型β鈦合金［16］。這類鈦合金具有較高強度和較低彈性模量，主要為Ti-Nb-Ta-Mo、Ti-Nb-Ta-Sn和Ti-Nb-Ta-Zr系合金，其作為人體植入物材料具有很好的應用前景。典型代表如Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金，該合金除了具有與TC4鈦合金相媲美的耐磨性和力學性能，還有較低的彈性模量。日本還成功研制了置換型植入物用β鈦合金Ti-30Zr-Mo（用于可拆卸的植入體）［17］，正在開發的還有楊氏模量自調整型β鈦合金Ti-12Cr［18］、置換型植入物用楊氏模量自調整型β鈦合金Ti-30Zr-（Cr，Mo）［19］。在移植手術過程中，楊氏模量自調整型鈦合金可通過變形產生相變來阻止回彈。近幾年來，為了降成本，日本又開發了多種低成本醫用鈦合金，主要有Ti-Fe-Nb-Zr、Ti-Mn、Ti-Cr-Al、Ti-Cr-Sn-Zr、Ti-Sn-Cr等系列［14，20］。
俄羅斯研發了一種彈性模量僅為47GPa的醫用鈦合金，即Ti-51Zr-18Nb（at.%），其可逆變形量為2.83%。該合金具有如此低的彈性模量，是由于Ti的原子半徑比Zr小，當Nb元素添加到Ti-Zr二元合金中時，合金的電子結構發生了特殊變化，從而形成機械不穩定β相（在變形過程中會發生β→ω相變）［21］。
1.2.2國內新型醫用β鈦合金的研究
我國自“十五”期間開始進行新型醫用β鈦合金的研究。2005年，西北有色金屬研究院開發出兩類近β型醫用鈦合金———TLE（名義成分Ti-（3～6）Zr-（2～4）Mo-（24～27）Nb）和TLM（名義成分Ti-（1.5～4.5）Zr-（0.5～5.5）Sn-（1.5～4.4）Mo-（23.5～26.5）Nb）。這兩種合金不僅有著較高的強度和良好的韌性，而且加工成形性能良好。中科院金屬研究所經過多年研究，研制出一種具有高強度、低彈性模量、超彈性和阻尼性能的多功能柔韌鈦合金——Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金（Ti-2448）［22］。2008年以來，以Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金加工的多種醫用植入器件陸續通過了國家食品藥品監督管理局的檢驗，并進入批量應用階段。華南理工大學［23］采用粉末冶金法得到了一種高強度低彈性模量的醫用鈦合金（Ti69.7Nb23.7Zr4.9Ta1.7）94Fe6，其壓縮屈服強度為2425MPa，斷裂強度為2650MPa，平均彈性模量僅為52GPa，且耐磨性優于常用的醫用鈦合金Ti-6Al-4V和Ti-13Nb-13Zr。河北工業大學研制的新型鈦合金Ti-30Nb-8Zr-2Mo，硬度和彈性模量均達到種植體材料的性能要［24］。北京科技大學宋西平教授等［25］研究了鈦合金相結構變化對鈦合金彈性模量的影響規律，據此設計開發出了一種彈性模量僅為38.8GPa的低模量醫用鈦合金，其彈性模量低于國內外已報道的同類材料。該研究為開發醫用低彈性模量鈦合金積累了大量數據，提供了新的思路與方向。表1是世界各國開發的典型醫用β鈦合金性能對比［26－27］。從表1可以看出，第三代醫用鈦合金彈性模量均較低，美國的Ti-35Nb-5Ta-7Zr合金和我國的Ti-2448合金的彈性模量甚至達到了50GPa級別，與人體骨骼的彈性模量接近。
表1新型醫用β鈦合金性能對比
Table1Theperformancecomparisonfornovelmedicaltitaniumalloy
2鈦合金在臨床治療中的應用
醫用鈦合金主要用于生產和制造外科植入物和矯形器械產品，如牙種植體、人工關節和血管支架等。按照矯形器械與外科植入產品專業標準，醫用鈦材被歸入“外科植入物用材料”中的“金屬材料”一類。以下按我國外科植入物和矯形器械分類目錄中所涉及的鈦及鈦合金產品類型（見表2）介紹其在臨床治療中的應用。
2.1骨與關節替代物
鈦及鈦合金密度較，彈性模量低，可以避免局部骨吸收現象的產生，因而是十分優良的人工骨、關節等硬組織替換材料。人工髖關節假體的髖臼杯和骰骨柄通常用鈦及鈦合金來制造，見圖1［28］。髖臼固定后，關節頭可以在髖臼杯里自由活動。人工膝關節也常采用鈦及鈦合金制備，由脛骨部件、股骨部件和髕骨部件三部分組成。
骨與關節替代物在人體內會受到人體的扭轉曲、擠壓、肌肉收縮力等作用，因此對植入物的強度和韌性要求很高。在人體受力小的部位可以用純鈦，在人體受力大的部位可以用TC4鈦合金。1985年，瑞士Sulzer公司采用Ti-6Al-7Nb合金制造人工髖關節柄并得到應用。2000年，該公司的人工髖關節柄進入中國，每年的銷售量達到幾萬套。目前我國人工關節加工所需的優質鈦材仍依賴進口，而國內生產的醫用鈦材主要用來滿足國內中低端醫用產品如接骨螺釘和接骨板等使用［29］。2010年我國生產銷售的醫用純鈦及Ti-6Al-4V合金材料已達到1084t,其中出口約占20%。我國每年生產醫用Ti-6Al-7Nb合金材料上百噸，但幾乎全部出口國外，國內尚無實際應用。2.2牙科植入物鈦及鈦合金被廣泛用作牙齒修復材料，其優點主要有：①鈦在酸性和堿性環境下溶化量少，沒有銀合金存在的腐蝕、變色問題；②對人體有很好的安全性，不會出現鎳合金引起的超敏反應；③純鈦的密度僅為4.50g/cm3，與自然牙齒的密度接近，制作的牙床重量輕，鑲牙裝著感好；④純鈦的熱傳導率低，對牙髓無刺激性；⑤與傳統的牙床材料相比，具有咀嚼時不改變食物味道的特性。因此，鈦及鈦合金是迄今為止臨床應用效果最佳的牙科材料。表3列出了鈦及鈦合金在牙科中的主要用途。可以看出，純鈦和TC4鈦合金是牙科領域使用的主要材料。
表2我國外科植入物和矯形器械分類目錄中涉及的鈦合金典型產品
Table2Typicaltitaniumalloyproductsinvolvedinthecontentsofsurgicalimplantsandorthopedicdevices
圖1鈦合金人工髖關節假體照片
Fig.1Photooftitaniumalloyartificialhip
表3鈦及鈦合金在牙科中的用途
Table3Useoftitaniumandtitaniumalloysindentistry
瑞典開發的Ti-6Al-7Nb合金［8］以及日本開發的Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金［30］對于牙科應用也具有很強的吸引力。牙科領域所用鈦材通常采用精密鑄造成形，因此具有較高的強度，但延伸率較低。為此，研究者們進行了大量提高其延伸率的研究，主要方法有熱處理（如α-β固溶處理、β固溶處理等）、破碎α相結構以及熱塑性變形及后熱處理等。2.3顱骨修復植入物開顱手術通常會造成顱骨缺損，目前臨床上通常用鈦網修復缺損的顱骨。進行修復時，為了使修補體與患者原顱骨較好地嵌合，在術前或術中醫生需根據患者缺損部位的大小和形狀，在鈦網上剪很多豁口，并在患者頭上比較后反復修型、剪縫，直到符合患者缺損部位的要求。這樣不僅會增加鈦釘的使用量，降低鈦網的強度，而且增加了手術時間。近年來，人們開發出一種CT三維重建軟件系統，利用該系統可得到患者顱骨缺損部位的CT三維數據，并通過數字化鈦網成形機制備出與患者顱骨缺損部位完全一致的鈦網修復體（如圖2）
［31］。臨床應用表明，采用這種技術不僅大大提高了手術精度，縮短了手術時間和鈦釘使用量，降低了手術復雜度，而且減少了術后并發癥，提高了患者的生活質量［32］。
2.4心血管修復材料
鈦及鈦合金在人體心血管方面應用的實例有人造心臟瓣膜、血液過濾器、心臟起搏器和人工心臟泵等。
圖2三維數字化成形鈦網修復體照片
Fig.2Photoof3Ddigitalshapingtitaniummeshrestoration
其優點主要有：
①強度高，化學穩定性好，生物相容性優良；
②鈦具有無磁性，在磁共振圖譜MＲI中很少產生假象；
③NiTi記憶合金具有的彈性能力和形狀恢復功能非常適合于醫學方面的應用NiTi合金在低溫（零度附近）時呈馬氏體態，很容易變成易于導入人體內的形狀，當溫度升高到體溫時會產生逆相變，從而恢復到原...
陜公網安備 61030502000103號 
