生物醫用鈦合金

生物醫用材料是指和生物系統相作用，用以診斷、治療修復或替代機體中的組織、器官或增進其功能的材料。可分為醫用金屬材料、醫用高分子材料、醫用陶瓷材料等，其中醫用金屬材料占有很大的比重，特別是骨科產品、心腦血管產品。

由于鈦與人體骨骼接近，對人體組織具有良好的生物相容性、無毒副作用，具有其他材料無法比擬的優勢,所以醫用鈦在醫療領域得到了廣泛的應用。

生物醫用鈦合金的優勢

• 生物相容性：與人體發生***小的生物學反應，無毒無磁，作為人體植入物，對人體無毒副作用。

• 力學性能：高強度、低彈性模量，既滿足力學要求，又與人體自然骨彈性模量相近，可減少應力屏蔽效應，更有利于人骨的生長愈合。

• 耐腐蝕性能：鈦合金為生物惰性材料，在人體生理環境下有有意的抗腐蝕性能，對人體生理環境不產生污染。

• 質輕：一般鈦合金的密度僅為不銹鋼的56%，植入人體后大幅度減輕人體的負荷量。

生物醫用鈦合金發展歷程

金屬材料是人類生物醫學發展史上***早用于創傷修復和矯形治療的傳統材料。從20世紀30年代起，CoCr合金、不銹鋼曾先后被用于醫學領域并成為目前傳統的醫用金屬材料；20世紀 40 年代,性能更優異的生物醫用鈦得到研究并證明了其臨床可行性。生物醫用鈦合金經歷了純鈦與Ti-6Al-4V鈦合金、改良鈦合金、低模量β鈦合金三個歷程：

• 1950-1980年：純鈦首次用于生物醫藥領域，證實了良好的生物相容性。Ti6Al4V廣泛用于外科修復或替換材料。

• 1980-1990年:證實V、Al是對生物體有毒副作用的元素；開發出以Nb、Fe替代V的第二代改良新型醫用鈦合金。

• 1990年-至今：90年代初期開發******個具有更好生物相容性和更低彈性模量的β鈦合金Ti13Nb13Zr,從此開啟了具有優異性能的生物醫用β鈦合金的開發和使用。

國內研究現狀及問題

我國從20世紀70年代開始醫用鈦合金材料的研究和應用，經過前期對Ti-6Al-4V 、Ti-6Al-7Nb、Ti-5Al-2.5Fe醫用鈦合金的仿制研究，早在1999年西北有色金屬研究院在國內首次研制出******個具有我國自主知識產權近α型新型醫用鈦合金TAMZ（Ti-2.5Al-2.5Mo-2.5Zr），綜合性能與Ti-6Al-7Nb相當。

在2005年，西北有色院又研制出兩種新型高強低模量近β型醫用鈦合金TiZrMoNb（TLE）和Ti Zr Sn Mo Nb （TLM）。中科院金屬所也開發出新型低模量近β型鈦合金Ti -24Nb-4Zr-7.6Sn（Ti 2448）。另外，北京有色院、哈工大、東北大學、天津大學等單位也在開展新型β型鈦合金的應用及相關基礎研究。

基于我國國情，擁有約13億人口和6000萬殘疾人的大國，而且我國正步入老齡化社會，為此要提供大量優質的生物醫用材料及器件以供臨床診治的需要。而我國在醫用種植體方面的研究起步較晚，目前人工關節近一半需要進口，而牙科種植體以及一些高端植入物更是90%以上使用進口產品，價格******昂貴，普通工薪階層的百姓難以承受。因此，開發無毒性、低彈性模量且價格低廉的新型植入用鈦合金是一個值得研究的課題。

生物醫用鈦合金分類及性能

生物醫用鈦合金按材料顯微組織類型可分為α型、α+β型和β型鈦合金三類。目前臨床廣泛使用的材料仍以純鈦和Ti-6Al-4V合金為主，但β型鈦合金由于更低的彈性模量和更好的生物相容性已成為該領域的研究熱點，是***有應用前景的生物醫用鈦合金。

表１是各種生物醫用鈦合金的力學性能。圖1表明各種生物醫用合金的彈性模量和人體骨彈性模量的比較。可以看出, 第二代生物醫用鈦合金彈性模量明顯比******代低 ,合金設計時Nb含量有增加的趨勢且都是β型鈦合金, Ti-35Nb-7Zr-5Ta 和Ti-29Nb-13Ta-7.1Zr合金具有***低的彈性模量55MPa, 與人體骨的彈性模量***接近。因此開發較低彈性模量的生物醫用β型鈦合金已成為該領域的研究熱點。目前國內外研究***為廣泛的生物醫用超彈性β鈦合金是Ti-Nb系超彈性β鈦合

表1 生物醫用鈦合金的力學性能

圖1 生物醫用合金的彈性模量

常用生物醫用β鈦合金

近年來新型β型鈦合金的研發主要Ti-Nb系、Ti-Mo系、Ti-Zr系和Ti-Ta系合金。（對人體有害的V、Al、Ni 、Cr等元素逐步被生物相容性好的Nb、Zr、Ta、Sn、Pt、Mo等無毒元素取代）已研制成功的部分醫用低模量的β型鈦合金如下圖所示。與其他體系β鈦合金相比，Ti-Nb系合金的彈性模量較低，更接近人骨的彈性模量，并且不含有毒元素Al和V，適合作為醫用金屬材料，目前對其研究開展較多。

應用舉例

生物醫用鈦合金優異生物醫用特性，使其廣泛的應用如下

公司由一群才華橫溢經驗豐富的熟練操作車、銑、磨、電火花、線切割、數控設備操作人員和經驗豐富的模具設計、裝配高級工程師組成的員工隊伍，全面實現計算機輔助設計（PRE/UG./SLIDWORK）及計算機制造加工系統（CAD/CAE/CAM），運用******的制造工藝和完善的質量控制流程，北京鋁合金零件加工,北京軍工零件加工產品質量嚴格按照ISO9000質量體系標準執行。

生物醫用鈦合金未來發展方向

近年來，鈦合金在生物醫用領域的應用呈快速發展的趨勢。這也將對鈦合金的性能提出更高的要求，結合國內外當前的研究現狀，得出生物醫用鈦合金未來發展方向如下：

相關企業及研究機構

雖然我國生物醫用鈦合金材料的研究工作已取得了顯著的進展,但與歐美等發達******相比，在鈦合金植入物產品的設計、制造、加工、裝備、表面處理、工藝水平等方面仍存在很大差距。以下是部分國內外生物醫用鈦合金相關生產企業及研究機構：

參考文獻

[1]. 戴世娟，朱運田，陳鋒. 新型醫用 β 鈦合金研究的發展現狀及加工方法[J]. 重慶理工大學學報，2016,30（4）：28-34.

[2]. C.萊茵斯,M.皮特爾斯.陳振華等譯.鈦與鈦合金[M].北京:化學工業出版社,2005.

[3].公開資料-維基百科，百度百科.

[4]. 張文毓. 生物醫用鈦合金的研究進展[J].化學與黏合,2014,35（5）：369-373.

[5]. C.J. Boehlert, C.J. Cowen, J.P. Quast,et al. Fatigue and wear evaluation of Ti-Al-Nb alloys for biomedicalapplications[J]. Materials Science and Engineering C, 2008,28: 323-330.

[6] 草道英武.金屬鈦及其應用[M].北京:冶金工業出版社，1989.

[7] 王濤，戴品強，項忠楠, 等.生物醫用Ti-Nb-Sn合金的超彈性[J] .材料科學與工程學報,2008,26(6):940-945.

[8]. 李紅梅,雷霆,方樹銘,黃光明. 生物醫用鈦合金的研究進展[J].金屬功能材料,2011,18（2）：70-73.

新材料在線商務合作

請聯系：王小姐 0755-86060912（9:00-18:30）

點擊閱讀原文下載app