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时间:2022-09-02 09:52:05 点击:19次

生物医用钛合金

生物医用材料是指和生物系统相作用,用以诊断、治疗修复或替代机体中的组织、器官或增进其功能的材料。可分为医用金属材料、医用高分子材料、医用陶瓷材料等,其中医用金属材料占有很大的比重,特别是骨科产品、心脑血管产品。

由于钛与人体骨骼接近,对人体组织具有良好的生物相容性、无毒副作用,具有其他材料无法比拟的优势,所以医用钛在医疗领域得到了广泛的应用。

生物医用钛合金的优势

  • 生物相容性:与人体发生***小的生物学反应,无毒无磁,作为人体植入物,对人体无毒副作用。

  • 力学性能:高强度、低弹性模量,既满足力学要求,又与人体自然骨弹性模量相近,可减少应力屏蔽效应,更有利于人骨的生长愈合。

  • 耐腐蚀性能:钛合金为生物惰性材料,在人体生理环境下有有意的抗腐蚀性能,对人体生理环境不产生污染。

  • 质轻:一般钛合金的密度仅为不锈钢的56%,植入人体后大幅度减轻人体的负荷量。

生物医用钛合金发展历程

金属材料是人类生物医学发展史上***早用于创伤修复和矫形治疗的传统材料。从20世纪30年代起,CoCr合金、不锈钢曾先后被用于医学领域并成为目前传统的医用金属材料;20世纪 40 年代,性能更优异的生物医用钛得到研究并证明了其临床可行性。生物医用钛合金经历了纯钛与Ti-6Al-4V钛合金、改良钛合金、低模量β钛合金三个历程:

  • 1950-1980年:纯钛首次用于生物医药领域,证实了良好的生物相容性。Ti6Al4V广泛用于外科修复或替换材料。

  • 1980-1990年:证实V、Al是对生物体有毒副作用的元素;开发出以Nb、Fe替代V的第二代改良新型医用钛合金。

  • 1990年-至今:90年代初期开发******个具有更好生物相容性和更低弹性模量的β钛合金Ti13Nb13Zr,从此开启了具有优异性能的生物医用β钛合金的开发和使用。

国内研究现状及问题

我国从20世纪70年代开始医用钛合金材料的研究和应用,经过前期对Ti-6Al-4V 、Ti-6Al-7Nb、Ti-5Al-2.5Fe医用钛合金的仿制研究,早在1999年西北有色金属研究院在国内首次研制出******个具有我国自主知识产权近α型新型医用钛合金TAMZ(Ti-2.5Al-2.5Mo-2.5Zr),综合性能与Ti-6Al-7Nb相当。

在2005年,西北有色院又研制出两种新型高强低模量近β型医用钛合金TiZrMoNb(TLE)和Ti Zr Sn Mo Nb (TLM)。中科院金属所也开发出新型低模量近β型钛合金Ti -24Nb-4Zr-7.6Sn(Ti 2448)。另外,北京有色院、哈工大、东北大学、天津大学等单位也在开展新型β型钛合金的应用及相关基础研究。

基于我国国情,拥有约13亿人口和6000万残疾人的大国,而且我国正步入老龄化社会,为此要提供大量优质的生物医用材料及器件以供临床诊治的需要。而我国在医用种植体方面的研究起步较晚,目前人工关节近一半需要进口,而牙科种植体以及一些高端植入物更是90%以上使用进口产品,价格******昂贵,普通工薪阶层的百姓难以承受。因此,开发无毒性、低弹性模量且价格低廉的新型植入用钛合金是一个值得研究的课题。

生物医用钛合金分类及性能

生物医用钛合金按材料显微组织类型可分为α型、α+β型和β型钛合金三类。目前临床广泛使用的材料仍以纯钛和Ti-6Al-4V合金为主,但β型钛合金由于更低的弹性模量和更好的生物相容性已成为该领域的研究热点,是***有应用前景的生物医用钛合金。

表1是各种生物医用钛合金的力学性能。图1表明各种生物医用合金的弹性模量和人体骨弹性模量的比较。可以看出, 第二代生物医用钛合金弹性模量明显比******代低 ,合金设计时Nb含量有增加的趋势且都是β型钛合金, Ti-35Nb-7Zr-5Ta 和Ti-29Nb-13Ta-7.1Zr合金具有***低的弹性模量55MPa, 与人体骨的弹性模量***接近。因此开发较低弹性模量的生物医用β型钛合金已成为该领域的研究热点。目前国内外研究***为广泛的生物医用超弹性β钛合金是Ti-Nb系超弹性β钛合

表1 生物医用钛合金的力学性能

图1 生物医用合金的弹性模量

常用生物医用β钛合金

近年来新型β型钛合金的研发主要Ti-Nb系、Ti-Mo系、Ti-Zr系和Ti-Ta系合金。(对人体有害的V、Al、Ni 、Cr等元素逐步被生物相容性好的Nb、Zr、Ta、Sn、Pt、Mo等无毒元素取代)已研制成功的部分医用低模量的β型钛合金如下图所示。与其他体系β钛合金相比,Ti-Nb系合金的弹性模量较低,更接近人骨的弹性模量,并且不含有毒元素Al和V,适合作为医用金属材料,目前对其研究开展较多。

应用举例

生物医用钛合金优异生物医用特性,使其广泛的应用如下

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生物医用钛合金未来发展方向

近年来,钛合金在生物医用领域的应用呈快速发展的趋势。这也将对钛合金的性能提出更高的要求,结合国内外当前的研究现状,得出生物医用钛合金未来发展方向如下:

相关企业及研究机构

虽然我国生物医用钛合金材料的研究工作已取得了显著的进展,但与欧美等发达******相比,在钛合金植入物产品的设计、制造、加工、装备、表面处理、工艺水平等方面仍存在很大差距。以下是部分国内外生物医用钛合金相关生产企业及研究机构:

国外企业及研究机构

国内企业及研究机构

STRYKER(美国)

宝钛集团

Zimmer(美国)

英耐特医用钛有限公司

德国克鲁伯

百幕航材

Terumo(日本)

西北有色金属研究院

Sulzer(瑞士)

北京有色金属研究总院

……

沈阳金属研究所

参考文献

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