我国生物钛合金功能材料发展现状及趋势

 

  作为主要的生物医用金属功能材料之一,钛(Ti)及其合金得到了广泛的开发和应用。20 世纪40年代,Bothe等人把纯钛引入到医学领域,60年代Branemark 将纯钛用作口腔种植体,70年代Ti-6Al(铝)-4V(钒)钛合金被用作髋关节和膝关节等外科修复材料。纯钛和Ti-6Al-4V钛合金的比强度和耐蚀性能优异,具有良好的生物相容性,其弹性模量低于钴铬合金和不锈钢,是使用最广泛的生物金属材料,占据医用钛合金使用量的80%以上。但纯钛强度低,无法用于人工髋关节、接骨钉和螺钉等高强度承力构件,主要用于口腔修复及承载力小的骨替换。纯钛的耐磨性也低于钴铬合金和不锈钢,在人体内产生的含Ti磨损碎屑易产生炎症、骨吸收和疼痛等。为提高纯钛的强度和耐磨性,添加各种合金元素,如Ti-6Al-4V钛合金,但很难避免磨损的发生。Ti-6Al-4V钛合金生物相容性不如纯钛,含有的V及其离子的细胞毒性大,因此在医疗器械领域的使用受到了限制。

 

  早期开发的钛合金以α+β型为主,如大量使用的Ti-6Al-7Nb(铌)合金和Ti-5Al-2.5Fe(铁)合金。20世纪90年代,为了改善生物力学相容性和克服Al、Fe对人体引起的不良反应,美、日等国研制开发了具有高比强度、高疲劳强度、高生物相容性和低弹性模量的新型β型钛合金,其特点是使用高生物相容性的元素,具有高耐磨性和耐蚀性。具有特殊功能的钛合金得到开发,比如具有记忆性和超弹性的钛镍形状记忆合金,已经在医疗器械领域得到广泛应用。此外,由于钛合金表面具有生物惰性,不利于成骨细胞的生长,因此钛合金表面活化技术受到越来越多的研究和关注。

 

  我国钛合金的发展历史与现状

 

  我国生物用钛及钛合金的开发始于20世纪70年代,最早于1973年由北京有色金属研究总院与天津市医疗器械工业公司骨科器械厂等单位协作,采用纯钛制造人工股骨,并用于临床。20世纪80年代由北京有色金属研究总院和宝钛集团有限公司等单位研制出了Ti-6Al-7Nb和Ti-5Al-2.5Fe钛合金,并在山东文登整骨医院、天津市医疗器械工业公司骨科器械二厂、北京普鲁斯钢研外科植入物有限公司进行了Ti-6Al-7Nb钛合金临床应用。1999年,西北有色金属研究院研制出具有自主产权的Ti-2.5Al-2.5Mo-2.5Zr(TAMZ)近α型钛合金,可用作血管支架和心脏瓣膜等。2005年,西北有色金属研究院研制出Ti-(3~6)Zr-(2~4)Mo-(24~27)Nb(TLE)和Ti-(1.5~4.5) Zr- (0.5~5.5) Sn-(1.5~4.4)Mo-(23.5~26.5)Nb(TLM)2种近β型钛合金,适用于外科植入物和血管支架。中国科学院沈阳金属研究所开发出的Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn(Ti2448)新型低模量近β型钛合金,具有高比强度、高生物相容性和力学相容性、低弹性模量和超弹性。威高集团开发了该合金接骨板等植入件。近年来,北京有色金属研究总院研制出低弹性模量的Ti-Nb-Zr-Ta-Sn和Ti-Nb-Al-Sn-Si新型β型钛合金。

 

  我国医疗器械市场骨科内固定植入物以α+β型Ti-6Al-4V医用钛合金为主,为规范钛合金在医疗器械领域的使用,在国家有关部门的主持下,2005年以后形成了10余个相关的医疗行业标准和国家标准。我国钛合金标准中的技术指标基本等同国际标准,对钛合金质量控制和钛合金在医疗器械领域的应用起到了重要的保证作用。

 

  我国在自主开发生物医用钛合金方面也取得了显著的进展,先后自主开发了20余种钛合金,并取得了国家专利。其中大多数发明专利集中在开发骨科应用的新型β型钛合金和牙科修复用钛合金。中国科学院金属研究所研制的Ti-2448合金强度约为1000~1200MPa,弹性模量约为40~60GPa,塑性约为8%~12%,在医用植入领域具有很好的应用前景。北京有色金属研究总院研制的Ti-Nb-Al-Sn-Si钛合金具有低弹性模量、良好的生物相容性、力学相容性、不含有毒的镍和钒元素,具有优异的冷加工性能和很低的冷加工硬化率,加工成本低,是一种新型生物形状记忆合金材料,可广泛用于医疗器械领域,用作超弹支架、正畸牙弓丝和骨科植入器械等。西北有色金属研究院开发了一种外科植入用β型钛合金,该合金的名义化学成分为Ti-5Zr-5Mo-15Nb,即TLE钛合金;同时,还开发了一种血管支架用β型钛合金,该合金的名义化学成分为Ti-5Zr-3Sn-5Mo-15Nb,即TLM钛合金,可用于制作人体心脑血管支架和非血管支架等外科植入器材;另外,在医用钛合金表面生物活化、多孔钛和钛合金应用开发方面也出现了大量发明专利。威高集团有限公司和中国科学院金属研究所通过对钛合金进行阳极氧化、水热处理和热处理,在其表面生成了复合氧化物涂层。制备的梯度涂层晶型完整,表面具有很高的诱导骨羟基磷灰石层形成能力、细胞吸附和增殖能力,具有很好的生物相容性。

 

  我国钛合金研究的重点方向

 

  近年来,我国研制开发的新型生物医用β型钛合金成为钛合金研究的热点,β型钛合金具有低弹性模量、高比强度、高疲劳强度、高生物相容性和力学相容性等特点。

 

  合金表面活化技术、多孔钛及钛合金技术也受到越来越多的研究和关注。钛合金表面活化技术的研究重点是钛合金生物相容性涂层、类骨结构的构建和骨(非骨)组织诱导理论。羟基磷灰石 〔Ca10(PO4)6(OH)2,HA〕的生物相容性与生物活性良好,植入后可直接与骨结合,是一种理想的骨缺损修复过渡材料。在钛合金表面活化制备羟基磷灰石涂层的技术如微弧氧化技术等领域,研究人员展开了广泛的研究。微弧氧化技术可以有效提高种植体骨与周围骨组织之间整合,在种植体表面形成含有钙(Ca)、磷(P)的生物活性物质,促进诱导骨组织形成生物化学性结合。在微弧氧化过程中,通过改变电解工艺参数,可以将Ca、P离子引入到材料表面,形成富含钙磷(羟基磷灰石晶体或其他磷酸钙化合物)的活性涂层。制备纯钛含锌活性涂层可促进成骨细胞黏附、增殖、分化及矿化,具有良好的生物相容性。利用微弧氧化技术在TLM钛合金试件表面制备生物活性涂层,可促进成骨细胞的生长,从而使钛合金表面具有一定的生物活性。

 

  多孔钛及钛合金制备技术主要有自蔓延高温合成法、粉末冶金法和选区激光熔化技术等。第四军医大学唐都医院和西北有色金属研究院等用等离子旋转电极法制备球形TLM钛合金粉末,利用松装烧结的方式在中心件表面制备多孔钛合金。利用直接金属激光快速成形技术可以实现可控多孔结构设计的钛合金支架制造,该技术可预先设计支架的结构,制备出了多孔TiNi合金和Ti-6Al-4V合金。西北有色金属研究院采用激光刻蚀技术制备了表面多孔的钛合金。上海交通大学等采用电子束熔化成形技术,设计并制造了钻石分子结构的多孔钛合金支架;采用激光刻蚀技术设计并制造出具有特定结构特征的多孔Ti-6Al-4V合金支架,具有较低的弹性模量。激光快速成形是一种3D打印制造技术,结合计算机控制,逐步利用高能束熔化熔池中的钛合金粉末,加工成特定形状的骨科植入物或牙科修复物。西北工业大学等对纯钛等医用金属的激光立体成形工艺进行了大量研究,利用该技术制备的纯钛植入体力学性能和疲劳性能均高于纯钛,能够满足牙科植入物对力学性能的要求。目前,国内利用激光雕刻技术加工钛镍合金和钛合金血管支架的研究也取得了一定的进展。

 

  近年来,我国在钛合金医疗器械应用和开发方面取得了明显的进展。在传统钛合金骨科和牙科应用开发方面,北京有色金属研究总院开发的纯钛漏斗胸矫形器产品已通过国家药监局生产质量体系认证,并在临床上大量应用。西北有色金属研究院开发的新型β型钛合金TLE、中国科学院金属研究所研制的Ti- 2448钛合金可用作超弹支架和骨科植入器械等,有望在临床上得到推广应用。

 

  我国生物医用钛合金产业发展前景

 

  相关支持政策渐多。在国家各类科技计划和产业发展规划的支持下,我国新材料的开发、应用和产业化水平得到了大幅提高。以北京有色金属研究总院、中科院金属所和西北有色金属研究院为代表的我国钛合金重点研究单位承担的形状记忆合金生物介入制品、Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn(锡)合金开发、新型钛合金及其生物涂层技术开发等项目先后得到了国家示范工程、“863”计划、“973 ”计划等项目的大力支持,为我国在钛合金领域的关键技术创新和产业化起到了很大的推动作用。

 

  “十二五” 期间,生物产业成为7大战略性新兴产业之一。生物产业发展规划的高性能医学装备产业化行动计划,将推动新型生物医用材料及相关医疗器械的产业化发展。针对血管、关节等疾病置换、修复的不同临床治疗需要,研制具有自主知识产权的涂药支架、骨修复材料、人工关节等医疗器械产品,加快临床应用推广,扩大我国植介入医疗器械的产业化发展规模。《新材料产业 “十二五” 发展规划》重点发展方向也包括加强生物医用材料研究,开发高生物相容性、高力学相容性和耐蚀性、耐磨性、低成本高性能生物医用材料,推动生物医用基础材料升级。重点解决涉及应用量大的共性关键材料的问题,提高创新力,加快成果转化,扩大医用材料产业规模并加快发展。《新材料产业 “十二五” 发展规划》设立了生物医用材料专项工程,明确提出大力发展生物医用金属、合金及其制品,满足血管支架、人工器官和体内植入物等产品应用需求,推动材料与生物医学等领域交叉融合。

 

  各地方也纷纷出台了“十二五” 新材料产业重点发展规划,深圳重点支持组织工程材料、生物活性材料、诊断和治疗材料等;上海重点发展前沿新材料包括生物医用材料,加大人工关节、血管支架和心脏瓣膜等高附加值产品的开发和推广应用力度;陕西则明确提出重点建设钛终端应用产品工程,包括生物医用钛材等重点产业化项目。国家和地方的“十二五”规划为我国生物钛合金的发展指明了方向,提供了良好契机。

 

  产业化潜力巨大。我国生物医用材料虽然在全世界所占比重不大,但发展速度较快。2004年我国生物医用材料产值为55亿美元,2010年产值达到120亿美元,占整个国际市场的5.43%。2010年我国医疗器械产值达到1900亿元。用于外科植入物和矫形器械的医用金属材料在整个生物材料产品市场所占份额为40%左右。骨科、口腔和心血管疾病的治疗主要依赖高端生物医用材料及制品,其中医用钛合金在临床用量较大,2010年我国生物医用钛及钛合金达到1084t。

 

  据介绍,我国每年的骨缺损或骨损伤患者约300万人,骨骼不健全的达到1 000万人。但是,国内生物材料的大部分市场份额仍然被国外产品占据,在高端生物材料产品方面,国外甚至占据95%以上。随着医疗保障覆盖面的扩大,人们寿命的增长,到2015年预计全国将需求人工关节50万套/年、血管支架120万个/年,以及大量骨钉骨板、人工心脏瓣膜等。可以看出,我国临床对生物医用金属材料的需求巨大,目前医用钛合金等材料产业规模却难以满足市场的需求,我国的生物医用钛合金产业面临前所未有的机遇和挑战。

 

  生物医用钛合金发展趋势

 

  随着我国医疗体制改革的深入和医疗保障覆盖面的扩大,更多的骨组织损伤和替代患者需要接受治疗。对于各类钛合金植入和介入材料及其医疗器械产品的需求将逐年增加。因此,开发出低成本高生物相容性和力学相容性的钛合金医疗器械产品,可以极大降低医疗保障的成本,满足日益增长的患者身体功能恢复和生活质量提高的需求。笔者认为,发展生物医用钛合金需要取得以下几方面的突破。

 

  降低成本。由于制备高生物相容性β型钛合金,主要添加元素的密度、熔化温度与钛合金的差异大,造成铸锭组织不均匀,并且后续的加工工艺复杂,造成钛合金医疗器械产品价格高。开发粉末冶金技术代替铸锭冶金可以提高钛合金产品的质量,降低成本;采用激光快速成型技术也可大大缩短钛合金医疗器械产品的工艺流程,降低产品的成本。开发低成本高生物相容性的钛合金及其医疗制品将是生物医用钛合金开发的趋势之一。

 

  钛合金的升级和再开发。针对纯钛和Ti-6Al-4V钛合金在医疗器械应用方面的不足,利用非晶化、表面纳米化和微晶化以及表面改性和活化技术,提高其生物相容性和化学稳定性,使其综合力学性能大幅提高,促进其在骨科植入物或牙科修复物产品方面的临床应用。

 

  开发低弹性模量、高生物相容性、高比强度的β型钛合金。新型β型钛合金其生物相容性和力学相容性优异,在医用植入领域具有很好的应用前景。应抓紧开发其在人工髋关节、膝关节、接骨板、断骨固定螺钉、血管支架、心脏修复手术、起搏器和人工心脏方面的应用。

 

  医学应用是我国钛合金功能材料的一个重要发展方向。加强生物医用材料研制、医疗器械设计制造和临床试验的协作,进一步开发新型高性能医用钛合金器械,促进我国传统医用钛合金产业的优化升级,实现国外高端医疗器械产品的国产化替代,造福于民,是相关医用钛合金产业工作者的目标和职责所在。

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