生物医用钛合金的研究进展

张文毓

（中国船舶重工集团公司 第七二五研究所，河南 洛阳471039）

前 言

生物医用钛合金材料是用于诊断、治疗或替代人体组织、器官或增进其功能且具有高技术含量和高经济价值的新型医用载体材料，是材料科学技术中一个正在发展的新领域，并已成为人工关节、骨创伤产品、人工牙种植体等硬组织替代或修复医疗器械产品的优选材料。金属材料是人类生物医学发展史上最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，英、美等国最先尝试纯钛的医学研究并证实了其临床可行性；20世纪70年代后期，以航空应用为背景的Ti-6A1-4V钛合金被应用到医学领域；20世纪80年代末期，新型Ti-6Al-7Nb和Ti-5Al-2.5Fe改良成功；20世纪90年代起，以美国为主开始研究Ti-13Nb-13Zr、Ti-12Mo-6Zr-2Fe（TMZF）等新型β 型钛合金并成为全球生物医用钛合金材料的研究热点和主攻方向。医用钛合金的发展经历了三个阶段：纯钛和六铝四钒钛合金；以Ti-6Al-7Nb和Ti-5Al-2.5Fe为代表的α+β 型合金；具有更好生物相容性和更低弹性模量的β 钛合金。

1 生物医用钛合金的概述

1.1 定义

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，具体来说是用于外科植入物和矫形器械产品的生产和制造。钛合金医疗器械产品如人工关节、牙种植体和血管支架等用于临床诊断、治疗、修复、替换人体组织或器官，或增进人体组织或器官功能，其作用是药物不能替代的。医用钛合金材料研究涉及材料、物理、化学、生物、医学及先进电子显微及生化分析等多个学科，研究方向包括：医用金属材料的合金设计与评价体系，材料的加工-组织-性能关系与人体软、硬组织的相容性匹配，材料的表面改性（生物相容性、生物功能性、生物活性、耐磨性和耐蚀性等）及材料基体与表面（界面）的相互作用规律等[1]。

1.2 分类

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、耳蜗植入物和神经刺激器等植入产品的加工材料。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。

1.3 优点

钛合金用于临床主要有以下几个优点：（1）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；（2）弹性模量低，钛合金的弹性模量仅为不锈钢的53%，与人体自然骨弹性模量相近，可以减少应力屏蔽效应，更有利于人骨的生长愈合；（3）具有抗腐蚀性，钛合金为生物惰性材料，在人体生理环境下有优异的抗腐蚀性能，对人体生理环境不产生污染。其他合金材料的人体植入物用钛及钛合金表面进行阳极氧化着色处理，可以提高植入物的耐腐蚀性，解决了金属离子的溶出问题；（4）具有无毒无磁性，作为人体植入物，对人体无毒副作用，而且避免了雷雨天气和磁场的影响；（5）力学性能良好，强度高、韧性好，可以满足作为人体植入物的一些力学要求。钛合金的主要缺点就是成本比较高。但是总体来说，基于以上的优点，钛合金作为人体植入物的用量逐年增加，优越性也越来越被医学界认可。

2 生物医用钛合金的研究现状

钛及钛合金的发展可分为三代。第一代是以纯钛和Ti-6Al-4V合金为代表的α 型钛合金，第二代是以Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb为代表的α+β 利钛合金。与其它金属材料相比，这两代医用钛合金的弹性模量（110GPa）虽较接近骨的弹性模量，但还远远高于骨的弹性模量（约为10～30GPa）。这就容易造成钛合金植入材料与人体骨界面上力学性能的不匹配，若直接植入则会引起“应力屏蔽”效应，从而导致种植体周围出现骨吸收，最终引起种植体松动或断裂而导致种植失败。因此，近年来各国开始研发具有更好生物相容性和更低弹性模量的第三代钛合金，即新型β 型钛合金。这类合金的特点是：耐磨性能好，抗腐蚀性高，力学性能优良，含稳定β 相和降低弹性模量的元素。不含对人体有害的V、Al、Fe、Ni、Cr等元素，取而代之的则是生物相容性好的Nb、Zr、Ta、Sn、Pt、Mo等无毒元素。近年来新型β 型钛合金的研发主要为Ti-Nb系、Ti-Mo系、Ti-Zr系和Ti-Ta系合金。已研制成功的部分医用低模量的β 型钛合金如表1所示。生物医用超弹性β 钛合金目前国内外研究最为广泛的是Ti-Nb系超弹性β 钛合金。

表1 医用低模量的β 型钛合金[2]Table 1 The medical β-type titanium alloy with low modulus

与致密材料相比，生物医用多孔钛合金材料具有独特的多孔结构和更接近于人骨的强度和杨氏模量，在医学领域特别是骨修复方面得到了广泛的应用，具有广阔发展前景。

生物医用多孔钛合金材料的研究是一个交叉多学科的综合领域，需要冶金、材料、医学等工作者加强交流，并结合现代高新技术，如引入计算机技术，对其成形机理、孔隙结构及分布的情况进行模拟，以便更快地推进该材料的发展，扩大其在生物医学领域的应用。

虽然到目前为止，纯钛和Ti-6Al-4V仍然是应用最多的生物医用材料。但目前最有应用前景的医用钛合金是添加Nb、Zr、Mo和Ta等合金元素的合金。目前已开发或正在研制之中的含有β 稳定元素（Nb、Zr、Mo和Ta），具有低弹性模量的生物体用β 型钛合金，包括美国开发 的Ti-13Nb-13Zr、Ti-35Nb-7Zr-5Ta、Ti-12Mo-6Zr-2Fe、Ti-15Nb、Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr合金和日本开发的Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金，正在研制之中的还有美国开发的Ti-16Nb-10Hf和Ti-15Mo-3Nb合金和德国开发的Ti-30Ta等[3]。

目前已开发的β 钛合金中，Ti-35Nb-7Zr-5Ta和Ti-29Nb-13Ta-7.1Zr合金具有最低的弹性模量55 GPa。另外，Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr和Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金和几种其它组成的合金作为生物医用材料也受到极大的关注和研究。目前钛合金的研究开发方向是降低合金弹性模量、提高合金对人体的安全性、开发综合性能更优异的新型β 钛合金，以及对钛合金进行表面改性，提高耐磨性和耐腐蚀性能。具有低成本、低弹性模量和良好综合性能的新型钛合金将成为很有发展前途的生物医用材料。

作为医用材料的重要组成部分，目前生物医用钛合金研究的重点是在保证安全性的前提下寻找组织相容性更好、耐腐蚀、持久性更好的多用途生物医用钛合金，主要体现在以下三个方面：（1）提高生物医用钛合金的生物相容性;（2）生物医用钛合金的功能化和生物智能化；（3）开发新型医用钛合金材料。

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，1999年西北有色金属研究院在国内首次研制出第一个具有我国自主知识产权的近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。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TiZrSnMoNb（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（Ti2448）。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[4]。

由中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室工程合金研究部杨锐、郝玉琳等研制的Ti2448新型医用钛合金于日前获美国专利授权。同时，采用Ti2448合金制作的骨科用接骨板和脊柱固定系统两类植入器件已在数家医院完成临床试验，进入规模应用阶段。

世界人口近65亿，据不完全统计，伤残者接近4亿，肢体伤残者约6000万，牙病患者近20亿，目前生物材料器件植入者仅有3500万人，每年关节置换量约150万例，与实际需要置换者的数量相差甚远。因此，生物医用材料市场需求潜力巨大。而作为生物医用金属材料的首选，钛及其合金的需求量也将大增，因此加大医用钛合金材料的研发力度势在必行。

3 生物医用钛合金的应用

与传统的生物医用不锈钢和钴铬合金相比，钛及钛合金材料由于其低弹性模量、高比强度、优异的生物相容性和耐腐蚀性等特点，具有更适宜的生物医用特性，被广泛应用于人工关节（髋、膝、肩、踝、肘、腕、指关节等）、骨创伤产品（髓内钉、固定板、螺钉等）、脊柱矫形内固定系统、牙种植体、牙托、牙矫形丝、人工心脏瓣膜、介入性心血管支架等医用材料。

我国生物医用钛合金材料的应用和开发研究起步较晚，整体水平不高，跟踪研究多，源头创新少，技术含量高的产品主要依赖进口，生物医用金属材料和器械产业基础薄弱，产品技术结构和水平基本上仍处于初级阶段。药品和医疗器械产值的比例约为10∶2.5，远远落后于国际上的比例（10∶7），十几亿人口医疗保健需求的巨大压力与我国生物医用钛合金材料及器械的薄弱基础之间形成了强烈的矛盾，这说明我国的生物钛合金和医疗器械产业还远不能满足社会发展的需求，需要加大投入，快速发展。同时也说明今后10年至20年内我国生物医用材料和器械产业有很大的发展空间[5]。

自20世纪80年代中期以来，我国在医疗植入物方面，对镍钛形状记忆合金的临床与应用研究属国际先进水平，上海钢铁研究总院、天津市冶金材料研究所及北京有色金属研究总院稀有金属研究所联合当地的医疗专家和教授开发了很多医疗植入物产品，如：环抱钢板、髌骨爪、骑缝钉、髓内钉、人工关节、牙弓丝等产品。但直到2000年，首例镍钛形状记忆合金产品（来自兰州西脉记忆合金股份公司）才获得国家医药管理局准产注册。

为了进一步提高钛植入体的生物相容性，国际上近年来研发了多种表面改性技术。通过包括微弧氧化在内的电化学处理，不同形貌的羟基磷灰石层、钛氧化物层和钙钛层可被沉积在钛合金表面；通过化学方法获得的不含羟基磷灰石和磷酸三钙的表面改性层，可加速骨骼形成；还有通过将生物功能分子如聚乙二醇固定在金属表面，以控制蛋白质的吸收以及细胞、血小板和细菌的黏附的方法。此外，在固定生物分子如胶原蛋白和多肽的情况下，骨骼的形成和软组织的附着力得到了改善。

日本近年来在钛合金的表面生物激活改性方面做了不少的研究。他们用碱处理、电沉积和金属有机物化学气相沉积（MOCVD）等方法使金属表面形成羟基磷灰石改性层，以改善金属与医用聚合物如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）E331、聚乳酸（PLLA）1343等及与血液相容的如聚乙二醇（PEG）r351等生物聚合物的结合性。

另一方面，为了提高钛合金的耐磨损性能，表面硬化是一种有效的方法，包括表面氧化、氮化、电镀以及物理化学气相沉积（PVD／CVD）涂层、热喷涂等表面处理技术被研究与开发。在这些技术中，氧化和气体氮化由于只需要简单的工艺操作而更具优势。日本近年来对Ti02作为一种光触媒以及将它用于表面改性来增强钛及其合金的生物传导性进行了大量研究[6]。

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。超弹性β 钛合金作为最有希望代替Ti-Ni合金的生物医用超弹性材料目前已在生物医用领域广泛应用，但还存在一些亟待解决的科学与技术问题，结合我国研究现状，其存在的问题及发展趋势如下：

（1）提高其弹性应变率是合金研究发展必须解决的问题。目前国内外研究的超弹性β 钛合金最大弹性回复应变普遍较小，日本研究的β 钛合金最大应变变形率能达到4%左右，是Ti-Ni超弹性合金弹性回复应变率的1／2，国内研究超弹性β 钛合金最大应变变形率仅达到3%。

（2）提高β 钛合金的滑移临界应力值。滑移临界应力低会导致合金受到外加应力时，先发生滑移变形，引起永久残余应变量，这也是导致β 钛合金超弹性不如Ti-Ni合金的原因。通过固溶强化虽能提高诱发马氏体相变的应力，改善和稳定其超弹性，但难以满足提高合金超弹性的要求。

（3）国外对合金元素和热处理工艺在合金组织、性能上的影响都有较系统的研究，而国内只针对Ti-Nb系超弹性合金有一定研究。对Ti-Mo合金只是在二元合金的基础上进行了初步研究，对Ti-Zr系、Ti-Ta系钛合金研究较少，与国外研究存在一定差距。

（4）优化合金力学性能。作为生物医用材料，其强度、延展性、抗疲劳强度、耐磨性、耐腐蚀性等力学性能也尤为重要。发展多元钛合金、对钛合金表面改性也是钛合金以后重要的研究方向。可以预见，具有无毒、生物相容性好、力学性能优良、超弹性稳定的钛合金在临床应用上有广阔的应用前景。

近年来，研究人员在医用钛合金方面有很多创新成果，具体如下：

（1）Ni-Ti形状记忆合金（NTSMA）的开发与应用；

（2）多孔Ni-Ti（PNT）合金生物活性材料制造颈、腰椎间融合器（Cage）；

（3）多孔钛合金制造人工髋关节假体；

（4）多孔钛合金涂层技术用于人工关节假体制造；

（5）羟基磷灰石（HA）涂层技术用于钛合金人工关节制造；

（6）Al2O3陶瓷涂层技术用于钛合金人工关节制造；

（7）羟基磷灰石（HA）一玻璃一钛复合材料用于人工关节制造；

（8）钛及其合金表面阳极氧化着色处理用于骨科器材、整形外科及牙科。

医疗器械及人工心脏所使用的主要金属材料如表2所示。

表2 医疗器械及人工心脏上使用的主要金属材料[7]Table 2 The major metal materials for medical devices and artificial heart

导丝是介入治疗用输送器械的基础必备耗材产品，是决定治疗成败的关键。具有使用广泛，技术含量高，市场广阔的特点。国内仅中心静脉导丝年用量可达200万支以上，心血管介入导丝13万支以上，其它非血管导丝如肝胆、消化道造影、COOK导丝等应用量也较大。但导丝制造工艺复杂，成型难度高，目前该类产品的设计开发及生产制造技术均由国外医疗器械公司垄断。主要生产厂家有美国的Cordis、Guidant、Boston、Medtronic、日本的Terumo、Asahi等。我国也有对此领域研究的单位，但总体水平较国外差距大。国内临床使用绝大部分为进口产品。我国有色金属产量丰富，每年出口大量的钛材料，但我国在材料的深加工方面较为落后，只能花高价进口钛合金产品[8]。

4 结 论

生物医用钛合金材料是现代临床医学的重要物质基础，是21世纪材料研究的前沿和热点之一，生物医用钛合金材料及制品也是近30年来发展起来的一类技术附加值最高的高新技术产品，已成为全球新兴的一个支柱产业和新的经济增长点。进一步开发新型优质的生物医用钛合金材料，加强对传统医用钛合金材料的优化升级，努力降低医用钛材的价格，解决人体软、硬组织修复与替代产品，采用不同强度水平、塑韧性好、抗疲劳、刚柔并济而又生理相容的各类钛合金植入和介入材料及其医疗器械产品加工制造的核心关键技术，尽早实现国产化，创造民族品牌产品，这不仅利国利民，也是大势所趋。

［1］于振涛，余森，张明华，等.外科植入物用新型医用钛合金材料设计、开发与应用现状及进展［J］.中国材料进展，2010，29（12）：35～56.

［2］高智芳，万怡灶.生物医用超弹性β 型钛合金研究现状［J］.材料导报,2011, 25（3）：79～85.

［3］李红梅，雷霆，方树铭，等.生物医用钛合金的研究进展［J］.金属功能材料，2011,18（2）：70～75.

［4］于振涛，张明华，余森，等.中国医疗器械用钛合金材料研发、生产与应用现状分析［J］.中国医疗器械信息，2012,18（7）：1～9.

［5］缪卫东,吕保国.生物医用钛合金应用研究进展与产业现状［J］.新材料产业，2008，（1）：45～51.

［6］朱康平，祝建雯，曲恒磊.国外生物医用钛合金的发展现状［J］.稀有金属材料与工程，2012，41（11）：2058～2064.

［7］冯颖芳，魏寿庸.生物医用钛及钛合金材料的研究现状及应用［A］.中国有色金属工业协会钛锆铪分会2012 年年会论文集［C］.北京：2012：183～190.

［8］王铭,张东惠.医用介入器械钛合金导丝的开发与应用（综述）［A］.天津生物医学工程学会第30 次学术年会暨生物医学工程前沿科学研讨会论文集［C］.天津：2010.