金属材料是最早用于临床医学的生物医用材料,目前用于外科植入物和矫形器械的金属材料主要包括不锈钢、钴基合金和钛合金三大系列,它们占整个生物材料产品市场份额的 40% 左右。其中,钛合金已广泛应用于人体硬组织(包括人体躯干中所有的骨骼和牙齿)的缺损、创伤和疾病等修复、矫形及替代等治疗。

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外科植入及人体软组织(包括心脑血管、外周血管及非血管如肝脏、胆道、尿道等)的介入治疗方面显示出独特而神奇的疗效,而钛合金人工关节、牙种植体、血管内支架和心脏瓣膜等具有中国医疗器械用钛合金材料研发、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,使得临床治疗从初级的简单“修复、矫形”治疗上升到更高层次的组织与器官的“替代式”治疗,极大改善和提高了人们的生活质量,克服了以往重大疾病只能单纯依靠药物治疗的不足。

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,在北京多家医院,先后采用钛及钛合金人造骨头与关节用于临床治疗应用和研究,制造的髋关节、肘关节、下颌骨等用于临床治疗病人。同时,一些医院与公司的模拟人体体液的浸泡实验,电化学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骨头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,对植入人体骨头与关节进行力学性能也经过测定,认为钛及钛合金的强度满足了人体植入物的要求。

上世纪八十年代中期以后,我国钛材用于制造人体植入物的数量增加,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,在矫形外科、神经外科、心血管系统、口腔颌面外科、人体外培养机等方面广泛应用。近5年,国内一大批企业成为钛及不锈钢等人体植入物生产企业。采用钛及钛合金制造的股骨头、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、紧固螺钉等上百种金属件移植到人体中,取得了良好的效果,被医学界给予了很高的评价。

2、生物医用钛合金材料的分类及特点

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,主要用于外科植入物和矫形器械等产品的生产和制造。按照外科植入物和矫形器械专业标准,钛合金材料可归入“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外科植入物、有源外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、心脏起搏器与除颤器、耳蜗植入物、神经刺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(如纯钛系列) 、α+β型钛合金(如 Ti6Al4V 等)和 β 型钛合金(如Ti12Mo6Zr2Fe 等)以及 TiNi 形状记忆钛合金四大类,与医用不锈钢和钴基合金相比,它们具有比重小、比强度高、弹性模量较低、耐腐蚀、易切削加工以及较好的生物相容性等特点。

3、生物医用钛合金材料的研究开发现状

生物医用钛及其合金的发展可分为三个时代:第一个时代以纯钛和Ti6A14V为代表,第二个时代是以T巧A12.5Fe和Ti6A17Nb为代表的新型d+B型合金,第三个时代则是一个开发与研制更好生物相容性和更低弹性模量钛合金的时代,其中以对B型钛合金的研究最为广泛。

1)以纯钛和Ti6A14V为代表的第一代生物钛合金工业纯钛是最早被应用于这一领域的钛合金。目前使用纯钛植入件的临床经验比较成熟,但商用纯钛并不能提供医用负重材料所需要的综合力学性能,如纯钛的强度较低,耐磨性较差等,限制了它的应用。虽然冷加工可以增加纯钛的强度,但是也无法满足实际需要。因此,人们开始考虑使用钛合金。Ti6A14V由于其优异的生物相容性和良好的综合力学性能成为第一种被引入生物材料领域的钛合金,而且至今也是生物医疗器械产品中用量最大的钛合金。

2)以Ti6A17Nb和TiSAl2.5Fe为代表的第二代新型Q+B型合金由于Ti6M4V中含有潜在毒性元素V,80年代中期两种新型“q+B”型医用钛合金TiSAl2.5Fe和Ti6A17Nb在欧洲得到了发展。

Ti6A17Nb在力学性能方面与公认的“全能”Ti6A14V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年由瑞士成功开发。对于这种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状

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/T13810-1992,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 年后的今天,该国家标准虽经两次改版,我国目前只能生产纯钛(中国牌号 TA1~TA4,美国对应牌号 Gr1~ Gr4) 、Ti6Al4V(中国牌号 TC4,美国对应牌号 Gr5 或 Ti64) 、Ti6Al7Nb(中国牌号 TC20)三大类钛合金材料,尚没有一个 β 型钛合金纳入国家标准, 如表 1 所示。截至目前,纯钛和 Ti6Al4V 钛合金仍是国际上产销量最大、应用最广的外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。我国目前生产的外科植入物用钛及钛合金加工材的品种涉及板材(厚度0.8~25mm) 、棒材和丝材(直径 1~90mm) ,供应状态可为冷轧、热加工及退火状态。我国新国标GB/T13810-2007 中规定的钛合金加工材在化学成分、力学性能和显微组织等指标等同采用美国ASTM F136-02a 要求,但同时还增加了显微组织评级、断面收缩率和板、棒材超声检验等附加的技术要求。虽然我国国标明确规定 Ti6Al4V 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 ;而美国进口钛材显微组织可达到细晶化的 A1~A3 组织,其中直径 15mm以下的小规格棒材可达到 A1 级(等轴化的 a、b相晶粒尺寸小于 10μm) ,因而具有优良的强韧性、耐蚀性和机械切削性能,这造成我国人工关节、牙种植体、脊柱内固定系统等高端医疗器械产品加工仍需大量进口国外优质的 Ti6Al4V 钛合金材料,而国产医用钛材主要满足国内中低端医疗器械产品如接骨板和接骨螺钉等使用。2008 年我国海绵钛和钛材产量已分别位居世界首位和第二位,钛材消耗量已占全球第二位,成为继俄罗斯、美国、日本之后的钛工业大国,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。