鈦及其合金作為外科植入物材料應(yīng)用具有很多優(yōu)點(diǎn)，如密度小、強(qiáng)度高、韌性好、生物相容性好、無毒、彈性模量低、良好的耐蝕性、低X射線吸收率等，因而在醫(yī)用金屬材料中占有越來越重要的地位。鈦及其合金可用于人體硬組織修復(fù)和替換，或用于心血管和軟組織修復(fù)以及人工器官的制造，是一種與人的生命和健康密切相關(guān)的特殊功能材料。目前，已成為人工關(guān)節(jié)、人工骨、斷骨固定器、脊骨矯正桿、骨髓內(nèi)釘、人工心臟瓣膜、牙科植入物、頭蓋骨等替換或修復(fù)產(chǎn)品的首選金屬材料。世界人口近65億，全球老齡化問題十分嚴(yán)重。據(jù)F&S公司資料顯示，全球骨科植入器械市場近5年的復(fù)合增長率約10.4%，預(yù)計(jì)到2015年將達(dá)到277億美元，而中國骨科植入器械市場將增長到166億元，年復(fù)合增長率達(dá)18.1%。由此可見，鈦及其合金作為醫(yī)用金屬材料首選材料，其未來市場需求十分強(qiáng)勁，因此，在我國加大醫(yī)用鈦及其合金材料的研發(fā)和應(yīng)用推廣有著十分重要的意義。
　　外科植入物用鈦材料的研發(fā)現(xiàn)狀
　　無釩醫(yī)用鈦合金
　　Ti-6Al-7Nb合金是由瑞士Sulzer醫(yī)學(xué)技術(shù)公司研制開發(fā)成功的一種醫(yī)用合金。與Ti-6Al-4V合金相比，Ti-6Al-7Nb合金采用與V有相同原子濃度的無毒害β穩(wěn)定元素Nb代替V，性能方面與公認(rèn)的Ti-6Al-4V合金相當(dāng)，是一種安全且具有發(fā)展?jié)摿Φ娜梭w植入用材料。由Ti-6Al-7Nb研制生產(chǎn)的多種合金植入件已投入臨床應(yīng)用，效果良好。
　　另一種醫(yī)用鈦合金Ti-5Al-2.5Fe是由德國研發(fā)的。與Ti-6Al-4V合金相比，以廉價(jià)、無毒的鐵元素代替釩。Ti-5Al-2.5Fe屬于中等強(qiáng)度材料，在機(jī)械性能、韌性以及疲勞強(qiáng)度等方面與Ti-6Al-4V相當(dāng)。
　　我國對這兩種合金也進(jìn)行了研制。由寶鈦集團(tuán)有限公司、北京有色金屬研究總院、河北醫(yī)科大學(xué)、山東文登整骨醫(yī)院及天津醫(yī)療器械工業(yè)公司骨科醫(yī)療器械二廠等單位聯(lián)合研制的Ti-6Al-7Nb和Ti-5Al-2.5Fe合金，經(jīng)生物學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究表明，合金具有良好的生物相容性，并能和骨組織形成良好的骨結(jié)合。
　　新型β鈦合金
　　20世紀(jì)90年代以來，在鈦合金植入物材料方面，不斷有關(guān)于V、Al元素對人體存在潛在危害的報(bào)告。因此，開發(fā)優(yōu)良綜合力學(xué)性能并與人體軟硬組織生物及力學(xué)更加相容的先進(jìn)醫(yī)用金屬材料——新型β型鈦合金就成為生物醫(yī)用金屬材料的研究重點(diǎn)。通過添加Nb、Ta、Zr、Mo、Sn等無毒元素開發(fā)了一系列新型β型鈦合金。
　　Ti-Ni合金
　　Ti-Ni形狀記憶合金是一種新型的功能材料，這種功能材料具有奇特的形狀記憶效應(yīng)、超彈性、耐疲勞、耐磨損、耐腐蝕、生物相容性好。因此，該合金在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
　　Ti-Ni形狀記憶合金成功用于骨科臨床，引起骨科專家和臨床醫(yī)生的關(guān)注，并稱之為“神奇金屬”。用于骨科臨床的NTSMA的變形溫度為0℃~5℃，回復(fù)溫度為37℃。用NTSMA材料固定骨折后，在體溫或熱鹽水濕敷下升溫而產(chǎn)生形狀回復(fù)，但骨骼對材料回復(fù)產(chǎn)生了限制，這樣在骨折斷端產(chǎn)生一種動態(tài)、持續(xù)性質(zhì)的加壓力或鉗夾力而達(dá)到固定骨折的作用。
　　多孔鈦合金
　　外科植入物表面結(jié)構(gòu)與植入機(jī)體后的生物學(xué)行為密切相關(guān)。與致密材料相比，孔隙的引入顯著降低了鈦及其合金的彈性模量，并且多孔鈦的強(qiáng)度和模量可以通過改變孔隙率、孔徑等參數(shù)調(diào)整其強(qiáng)度和彈性模量綜合匹配，充分利用其開放的通孔結(jié)構(gòu)促進(jìn)骨細(xì)胞的黏附、長入及與骨組織再生重建，加快痊愈過程，使鈦及其合金能在保持一定強(qiáng)度條件下實(shí)現(xiàn)材料與骨彈性模量的匹配。同時(shí)，多孔狀鈦合金粗糙的表面幾何結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)新骨組織長入孔隙，不僅加強(qiáng)了植入體與骨的生物固定，還可以使應(yīng)力沿植入物向周圍骨傳遞。
　　鈦合金表面活化技術(shù)
　　鈦合金表面活化技術(shù)是骨科植入材料研發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。植入物的表面是與人體直接接觸的，通過表面改性，可以改善生物相容性并減少磨損，進(jìn)而減少植入物松動的可能，保證植入物長期的性能.。
　　威高集團(tuán)有限公司和中國科學(xué)院金屬研究所通過對鈦合金進(jìn)行陽極氧化、水熱處理和熱處理，在其表面生成了復(fù)合氧化物涂層。制備的梯度涂層晶型完整，表面具有很高的誘導(dǎo)骨羥基磷灰石層形成能力及細(xì)胞吸附和增殖能力，具有很好的生物相容性。
　　激光近凈成形外科植入件
　　激光近凈成形技術(shù)是一種3D打印制造技術(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)控制，逐步利用高能束熔化熔池中的鈦合金粉末，加工成特定形狀的骨科植入物或牙科修復(fù)物。西北工業(yè)大學(xué)等科研單位對純鈦等醫(yī)用金屬的激光立體成形工藝進(jìn)行了大量研究，利用該技術(shù)制備的純鈦植入體力學(xué)性能和疲勞性能均高于純鈦，能夠滿足牙科植入物對力學(xué)性能的要求。目前，國內(nèi)利用激光近凈成形技術(shù)加工鈦鎳合金和鈦合金血管支架的研究也取得了一定的進(jìn)展。
　　國外應(yīng)用概況
　　具有獨(dú)特形狀記憶特性的Ti-Ni合金自成功研制以來，已用于口腔、神經(jīng)外科、心血管科、胸外科、耳鼻喉科、肝膽科、泌尿外科及婦科等，產(chǎn)品包括牙齒矯形絲、根管銼、脊柱矯形棒、接骨板、髓內(nèi)針、髕骨爪、導(dǎo)絲、導(dǎo)針、心臟補(bǔ)片、血管支架、血栓濾器、食道支架、呼吸道支架、膽道支架、尿道支架、直腸支架、十二指腸支架、外耳道支架、節(jié)育環(huán)等。
　　全球最大的骨科專業(yè)集團(tuán)公司之一STRYKER集團(tuán)公司采用Ti-12Mo-6Zr-2Fe合金制造的髖關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)，在質(zhì)量、功能和臨床效果方面已經(jīng)達(dá)到了骨科臨床要求的最高標(biāo)準(zhǔn)—頂尖級。同時(shí)采用Ti-Mo-Zr-Fe合金制造的頸椎前路板系統(tǒng)也已經(jīng)用于臨床。目前，這兩種產(chǎn)品已引進(jìn)中國市場。
　　德國20世紀(jì)80年代開發(fā)了鈦合金精鑄假肢并用于臨床，它的應(yīng)用推動了現(xiàn)代功能假肢的發(fā)展，從此各國鈦合金精鑄假肢得到了推廣應(yīng)用。
　　國外尤其是德、美、日等國普遍開展顱頜面整形手術(shù)，整形手術(shù)給人們帶來自信和幸福。顱頜面整形手術(shù)所用內(nèi)固定器材主要是各種形狀規(guī)格的純鈦板和各種規(guī)格純鈦制螺釘。
　　國內(nèi)應(yīng)用概況
　　國內(nèi)最大的鈦及鈦合金專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)寶鈦集團(tuán)從上世紀(jì)70年代起就開始與其它科研單位合作研制和開發(fā)鈦骨頭、鈦支架等人體植入物材料，并取得了良好的效果。上世紀(jì)70年代起，我國就開始采用國產(chǎn)鈦及鈦合金人造骨和關(guān)節(jié)用于臨床治療。生產(chǎn)的人工股骨和髖關(guān)節(jié)用于臨床后效果良好。80年代中期，國產(chǎn)的鈦及鈦合金加工材用于制造人體植入物的數(shù)量不斷增加。我國采用鈦及鈦合金制造的股骨頭、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、掌指關(guān)節(jié)等移植到人體中，取得了非常好的效果。
　　我國在開發(fā)骨科應(yīng)用的新型β型鈦合金和牙科修復(fù)用鈦合金方面也取得了顯著的進(jìn)展。沈陽金屬研究所、北京有色金屬研究總院、西北有色金屬研究院等單位自主開發(fā)研制的多種醫(yī)用鈦合金已用于外科植入物和血管支架。
　　在多孔鈦合金應(yīng)用方面，第四軍醫(yī)大學(xué)唐都醫(yī)院和西北有色金屬研究院、上海交通大學(xué)等科研單位都設(shè)計(jì)、制造了多孔鈦合金植入件，并在臨床上大量應(yīng)用，取得了良好效果。
　　人口老齡化帶來的人體硬組織缺損已經(jīng)是世界范圍內(nèi)的一大問題。我國人口眾多，老齡化問題十分嚴(yán)重，需要借助于醫(yī)用植入物材料進(jìn)行康復(fù)手術(shù)的病人也很多。據(jù)統(tǒng)計(jì),近30年來，我國外科植入件市場發(fā)展速度驚人。過去10年的平均增長率一直保持在15％～30％之間，預(yù)計(jì)未來10年仍將以10%以上的速度增長。由此可見，鈦合金植入物在中國的市場前景十分廣闊。
　　雖然我國在外科植入物用鈦合金材料的研發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究工作，取得了明顯的進(jìn)展,但與歐、美、日等發(fā)達(dá)國家相比，在鈦合金植入物產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、加工、裝備、表面處理、工藝水平等方面都存在很大差距，尤其是在一些高端植入物產(chǎn)品方面，國內(nèi)生產(chǎn)的植入件難以滿足市場的需求，大部分高端植入件都需要從國外進(jìn)口，這就給我國醫(yī)用材料研究單位、材料生產(chǎn)商及醫(yī)療研究機(jī)構(gòu)、臨床醫(yī)學(xué)專家等帶來了前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，這些單位應(yīng)加強(qiáng)合作，努力協(xié)作，實(shí)現(xiàn)高端植入件國產(chǎn)化，造福于民，促進(jìn)我國醫(yī)用鈦合金產(chǎn)業(yè)健康平穩(wěn)發(fā)展。