鈦合金在醫(yī)學中的應用
發(fā)布時間：2022-10-31
鈦合金在醫(yī)學中的應用
純鈦及其合金以其與骨相近似的彈性模量、良好的生物相容性及在生物環(huán)境下優(yōu)良的抗腐蝕性等在臨床上得到了越來越廣泛的應用&綜述了醫(yī)用鈦合金的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，闡述了鈦的生物相容性原理，同時簡單評述了鈦及其合金表面改性與鈦基復合材料的研究現(xiàn)狀&分析表明：純鈦及其合金具有出色的生物相容性主要歸功于表面附著的氧化層；β型鈦合金與β型鈦合金相比，具有較高的耐磨性，是一種很有前途的外科植入用鈦合金；尋求更為理想的表面改性工藝從而獲得高質量的涂層，或將生物活性相添加進鈦合金基體中制備成復合材料是提高醫(yī)用鈦合金生物活性的兩種有效途徑。
醫(yī)用鈦合金；發(fā)展和研究現(xiàn)狀；生物相容性；表面改性；復合材料
鈦是周期表中第ⅣB類元素，外觀似鋼，熔點達1672℃，屬難熔金屬。鈦在地殼中含量較豐富，遠高于Cu、Zn、Sn、Pb等常見金屬。我國鈦的資源極為豐富，僅四川攀枝花地區(qū)發(fā)現(xiàn)的特大型釩鈦磁鐵礦中，伴生鈦金屬儲量約達4.2億噸。[1]純鈦機械性能強，可塑性好，易于加工，如有雜質，特別是0、N、C等元素存在，會提高鈦的強度和硬度，但會降低其塑性，增加脆性。
鈦是容易鈍化的金屬，且在含氧環(huán)境中，其鈍化膜在受到破壞后還能自行愈合。因此，鈦對空氣、水和若干腐蝕介質都是穩(wěn)定的。鈦和鈦合金有優(yōu)異的耐蝕性，只能被氫氟酸和中等濃度的強堿溶液所侵蝕。特別是鈦對海水很穩(wěn)定，將鈦或鈦合金放入海水中數年，取出后，仍光亮如初，遠優(yōu)于不銹鋼。
鈦的另一重要特性是密度小。其強度是不銹鋼的3.5倍，鋁合金的1.3倍，是目前所有工業(yè)金屬材料中最高的。
液態(tài)的鈦幾乎能溶解所有的金屬，形成固溶體或金屬化合物等各種合金。合金元素如A1、V、Zr、Sn、Si、Mo和Mn等的加入，可改善鈦的性能，以適應不同部門的需要。由于上述優(yōu)異性能，鈦享有“未來的金屬”的美稱，鈦合金已廣泛用于國民經濟各部門，它是火箭、導彈和航天飛機不可缺少的材料。船舶、化工、電子器件和通訊設備以及若干輕工業(yè)部門中要大量應用鈦合金。鈦無毒，質輕，比強度高且具有相當優(yōu)秀的醫(yī)學相容性使得其在醫(yī)學領域應用廣泛。鈦合金常常被用作生物醫(yī)學材料主要用來修復骨骼、關節(jié)、牙齒以及血管等。醫(yī)學領域鈦合金主要用于制造植入人體內的醫(yī)療器件、假體或人工器官和輔助治療設備的鈦合金。主要有鈦6鋁4釩、5鋁2.5錫等。它們具有比強度高、力學性質接近人骨，強度遠優(yōu)于純鈦，還具有耐疲勞、耐腐蝕及生物相容性優(yōu)良等特點。廣泛用于各種人工關節(jié)人工骨、骨固定器件、義齒、齒科嵌、固定橋等。
一、鈦合金的特點分析
（一）質輕
鈦及鈦合金的密度，20℃時為4.5克/厘米3，僅為不銹鋼的56%。植入人體內大幅度減輕了人體的負荷量，作為醫(yī)療器械也減輕了醫(yī)務人員操作負荷。
（二）彈性模量低
鈦及鈦合金的彈性模量低，純鈦為10850公斤力/毫米2，僅為不銹鋼的53%，植入人體內與人體自然骨更接近，有利于接骨，能夠減少骨頭對植入物的應力屏蔽效應。
（三）無磁性
鈦及鈦合金是無磁性金屬，不受電磁場和雷雨天氣的影響，這有利于使用后的人體安全。
（四）無毒性
鈦及鈦合金的無毒性，作為植入物對人體無毒副作用。
（五）抗腐蝕性
鈦及鈦合金被稱為是生物惰性金屬材料，對人體血液的浸泡環(huán)境中具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，保證了與人體血液及細胞組織的相容性好，作為植入物不產生人體污染，不會發(fā)生過敏反應，這是鈦及鈦合金應用的基礎條件。
在人體植入物用鈦及鈦合金表面進行陽極氧化著色處理，提高了植入物件在人體條件下的耐磨性、耐蝕性和循環(huán)疲勞抗力，也在很大程度上解決了金屬離子溶出問題，提高了植入物的相溶性。同時也可以作為不同規(guī)格制品的標識，方便了手術操作。
（六）強度高、韌性好
因外傷、腫瘤等因素導致骨、關節(jié)損害，為建立穩(wěn)固的骨支架，必須借助弧型板、螺絲釘、人造骨及關節(jié)等，這些植入物要長期留置于人體內，會受到人體的彎曲、扭轉、擠壓、肌肉收縮力等作用，要求植入物具有高的強度和韌性。研究與臨床實例證明，在人體受力小的部位可以用純鈦，在人體受力大的部位可以用Ti6Al4V合金，完全可以滿足人體植入物的要求。
二、醫(yī)用鈦合金的發(fā)展
鈦及其合金的發(fā)展可分為三個時代，第一個時代以純鈦和Ti6Al4V為代表，第二個時代是以Ti5AlFe為代表新型合金，第三個時代則是一個開發(fā)與研制更好生物相容性和更低彈性模量鈦合金的時代，其中以對α+β鈦合金的研究最為廣泛。目前，在醫(yī)學領域中廣泛使用的仍是Ti6Al4v ELI合金。但后者會析出極微量的釩和鋁離子，降低了其細胞適應性且有可能對人體造成危害，這一問題早已引起醫(yī)學界的廣泛關注。美國早在20世紀80年代中期便開始研制無鋁、無釩、具有生物相容性的鈦合金，將其用于矯形術。日本、英國等也在該方面做了大量的研究工作，并取得一些新的進展。與α+β鈦合金相比，β鈦合金具有更高的強度水乎，以及更好的切口性能和韌性，更適于作為植入物植入人體。在美國，已有5種β鈦合金被推薦至醫(yī)學領域。估計在不久的將來，此類具有高強度、低彈性模量以及優(yōu)異成形性和抗腐蝕性能的廬鈦合金很有可能取代目前醫(yī)學領域中廣泛使用的Ti6Al4V ELI合金。
三、鈦的生物相容性原理
生物相容性指材料在機體的特定部位引起恰當的反應。根據國際標準化組織（International Standards Organization，ISO）會議的解釋，生物相容性是指生命體組織對非活性材料產生反應的一種性能，一般是指材料與宿主之間的相容性。生物材料植入人體后，對特定的生物組織環(huán)境產生影響和作用，生物組織對生物材料也會產生影響和作用，兩者的循環(huán)作用一直持續(xù)，直到達到平衡或者植入物被去除。生物相容性是生物材料研究中始終貫穿的主題。 純鈦及其合金具有出色的生物相容性主要歸功于表面附著的氧化層%鈦表面氧化層的主要優(yōu)點是：二氧化鈦具有較低的固有毒性；二氧化鈦在水中的溶解度很低；四價鈦與生物分子的反應活性很低，接近化學惰性；&過氧化物化學現(xiàn)象具有明顯的抗炎作用。
四、鈦合金在醫(yī)學上的應用
（一）人造髖關節(jié)
人造髖關節(jié)，人造關節(jié)的一種，仿照人體髖關節(jié)的結構。指從大腿骨上端插進金屬桿，桿頂有一個金屬球，能代替股骨頂部。在髖骨窩中粘牢一個塑料臼，金屬球就嵌在臼內。如今已有成千上萬病人裝上這種關節(jié)。目前最常用做髖關節(jié)的金屬材料是鈦合金材料。鈦合金產品毛坯采用熱等靜壓的加工方法。鈷鉻鉬合金采用鑄造的加工方法，不銹鋼采用鍛造的加工方法，后經機加工成型，并經過表面處理而成。
（二）鈦合金烤瓷牙
它主要是指介于貴金屬烤瓷牙和鎳鉻合金烤瓷牙之間的烤瓷牙材料，此種瓷牙從嚴格意義上來說，保證人體親和性好，而且此種材料是比較適合人體健康的要求，其使用壽命會大大超出人們的想象，從理論上來講，只要注意正確用牙，使用壽命都是終生的。它的優(yōu)點是鈦合金與陶瓷的結合力很好，鈦合金烤瓷牙具有不易崩瓷、經久耐用的特點，鈦合金的生物相容性好，通常不會引起周圍組織變色。而它的缺點是：鈦合金烤瓷冠內冠呈灰金屬色，鈦合金烤瓷冠修復后會在特殊光線下會呈現(xiàn)出不易察覺的偏青色，其美容效果比較差。
（三）鈦合金支架
目前鈦合金制造支架以強度高，表面光滑、耐磨損、耐腐蝕，永久修復等優(yōu)點而被廣泛應用。一般的鈦合金支架含鈦46%，具有良好的生物相容性，同等于75%的黃金合金。
用鈦合金制造支架，修復短期內患者即可行使咀嚼功能，且不適感消除快，固位好，用鈦合金支架修復缺失牙，具有良好的強度和彈性。純鈦與人體組織有良好的適應性，使得其基托下方的口腔黏膜不會產生類似排斥的反應，如微血管流速的改變、組織液滲出的增加等等。這樣患者戴用鈦合金基托義齒后產生義齒性口炎的條件就大大減少，提高了患者的滿意度。鈦合金支架能很好的幫助恢復牙體形態(tài)和功能，且強度高，表面光滑、耐磨損、耐腐蝕，一種永久修復體，適用于一切固定者。尤其是它的生物相容性好，對鎳離子敏感的人比較適合，現(xiàn)已被廣泛地推廣應用于前牙的修復。
（三）鈦材料在制藥工業(yè)中應用
鈦在制藥業(yè)中主要用于制作容器、反應器和加熱器等。制藥生產中，設備經常要接觸鹽酸、硝酸、硫酸等無機酸、有機酸及其鹽類，設備因腐蝕經常損壞，同時因鋼制設備帶來的鐵離子污染影響了產品質量，采用鈦制設備則能解決這些問題。例如，青霉素酯化釜、糖化罐、氯霉素薄膜蒸發(fā)器，安乃近反應器、米吐爾過濾器、硫酸二甲酯冷卻器、藥液過濾器等，都有選鈦材的先例，所生產的藥液的數量和質量都不斷提高，而且質量完全符合中國藥典的規(guī)定。
五、鈦合金的未來發(fā)展趨勢
（一）鈦記憶合金
80 年代初期，NiTi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)生的關注，并稱之為“神奇金屬”。這種功能材料具有奇特的形狀記憶效應、超彈性、耐疲勞、耐磨損、耐腐蝕、生物相容性好。它是由56%（質量百分比）的 Ni 和 44%（質量百分比）的鈦組成。用于骨科臨床的NTSMA）的變形溫度為 0℃5℃，回復溫度為 37℃左右。用NTSMA材料固定骨折后，在體溫或熱鹽水濕敷下升溫而產生形狀回復，但骨骼對材料回復產生了限制，這樣在骨折斷端產生一種動態(tài)、持續(xù)性質的加壓力或鉗夾力而達到固定骨折的作用。我國NTSMA材料的基礎研究比國外晚，但在臨床應用研究方面處于國際領先地位。2000 年，在骨科內植入物方面，蘭州西脈記憶合金股份有限公司，取得國家藥品監(jiān)督管理局的產品準產注冊，促進了NTSMA骨科內植物的臨床應用。目前，我國已有3家企業(yè)注冊生產NTSMA 骨內固定裝置，主要有騎縫釘、聚髕器、環(huán)抱鋼板、NiTI弓形記憶加壓接骨器、髓內釘等產品。
（二）醫(yī)用純鈦及其鈦合金的表面改性
在生物醫(yī)學領域中，表面改性主要是為了改善植入體的耐磨性、抗蝕性和生物學性能（包括生物相容性和生物活性）。雖說鈦及其合金與其它金屬材料相比具有與骨最為接近的彈性模量，然而仍遠遠高于骨的彈性模量，這就容易造成界 面上機械性能的不匹配；同時，從成分上來看，鈦與自然骨的成分截然不同，鈦與骨之間雖然具有 良好的生物相容性，植入后種植體周圍無纖維包囊形成，但鈦合金與骨之間只是一種機械嵌連性 的骨整合，而非強有力的化學骨性結合，因此對鈦合金進行表面改性以改善其生物學性能引起了人們的日益重視。
六、
從目前生物醫(yī)用材料的發(fā)展現(xiàn)狀來看，不難發(fā)現(xiàn)，純鈦及其合金具有其它材料不可比擬的優(yōu)越性，雖然在臨床上還存在一些不盡如人意的地方，但仍是一種很有前途的硬組織替換材料，開發(fā)研究 更適合臨床應用的新型鈦合金不失為生物醫(yī)用鈦合金的一個主要發(fā)展方向，尋求更為理想的表面 改性工藝從而獲得高質量的涂層，并解決涂層與基 底的結合問題，也是極有前途的一種方法。此外，將生物活性相添加進鈦合金基體中通過合適的復 合技術制備成復合材料也是一條值得探索的新途徑。希望在眾多生物材料工作者的努力下，能將純 鈦及其合金在臨床中的應用更加推進一步。
來源：搜鈦網
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