生物醫(yī)用鈦合金材料（鈦絲、鈦鍛件、鈦棒、鈦板）是專指用于生物醫(yī)學(xué)工程的一類功能結(jié)構(gòu)材料，具體指是用于外科植入物和矯形器械產(chǎn)品的生產(chǎn)和制造[1] 。
鈦合金加工材的生產(chǎn)制備涉及冶金，壓力加工，復(fù)合材料和化工等領(lǐng)域，是世界上公認(rèn)的高技術(shù)產(chǎn)品。鈦及鈦合金開始由航天、航空、國防軍工領(lǐng)域逐漸進(jìn)入到民用消費(fèi)領(lǐng)域[2] 。諸如醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)中的植入物，醫(yī)療器械 ；體育休閑業(yè)的鈦高爾夫球桿以及鈦眼鏡架、鈦手表、鈦自行車等產(chǎn)品，對鈦加工材的需求量在不斷增大。隨著生物技術(shù)的蓬勃發(fā)展和重大突破，生物醫(yī)用金屬材料及其制品產(chǎn)業(yè)將發(fā)展成為世界經(jīng)濟(jì)的一個支柱產(chǎn)業(yè)[3] 。
其中，鈦絲憑借著質(zhì)輕，彈性模量低，無毒無磁，抗腐蝕，強(qiáng)度高、韌性好等優(yōu)良的綜合性能，于近年來的需求量也出現(xiàn)了快速穩(wěn)步的增長[4] 。同時，隨著鈦合金開始進(jìn)入整形外科等領(lǐng)域，新的潛在市場需求出現(xiàn)，未來鈦合金市場將會出現(xiàn)更快速的增長。
1、醫(yī)用鈦合金的研究進(jìn)展
1.1 醫(yī)用鈦合金的分類
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3類 ；其典型性能如表1所示。
生物醫(yī)用鈦合金的分類和典型性能
1.2 醫(yī)用鈦合金的發(fā)展趨勢
經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)研[8-14] 發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外的相關(guān)研究學(xué)者一致認(rèn)為醫(yī)用鈦合金的發(fā)展經(jīng)歷了三個標(biāo)志性的階段，第一階段是以純鈦和Ti-6Al-4V合金為代表的 ；第二階段是以Ti-5A1-2.5Fe、Ti-6A1-7Nb為代表的新型α+β型合金 ；第三階段是主要開發(fā)與研制具有更好生物相容性和更低彈性模量β-鈦合金的階段。
理想的生物醫(yī)用鈦合金材料[15] 必須滿足有以下條件 ：
良好的生物相容性、彈性模量低、密度低、防腐性能好、無毒、屈服強(qiáng)度高、疲勞壽命長、室溫下有較大的塑性、易成形、易鑄造等。
而目前一直廣泛應(yīng)用于植入物材料的重要合金為Ti-6A1-4V和Ti-6A1-4VELI。
有文獻(xiàn)報道[16-19] V元素可引起惡性組織反應(yīng)，可能對人體產(chǎn)生毒副作用，Al則會引起骨質(zhì)疏松和精神紊亂等病癥 ；為了解決此問題，當(dāng)前生物材料學(xué)家便致力于探索與研究不含V、Al的新型生物醫(yī)用鈦合金材料，在此之前很有必要搞清楚什么樣的合金元素是適合添加的既無毒又符合生物相容性原理的。
有研究[20-23] 發(fā)現(xiàn)含鉬，鈮，鉭，鋯等無毒元素的β鈦合金含有較高含量的β穩(wěn)定元素，與α+β型鈦合金相比，具有較低的彈性模量（E=55~80GPa）以及更好的剪切性能和韌性，更適于作為植入物植入人體。
2、鈦合金的應(yīng)用
2.1 鈦合金的醫(yī)用基礎(chǔ)
使用鈦及鈦合金作為人體植入物的優(yōu)勢主要有 ：
（1）密度(20℃ )=4.5g/cm3 ，質(zhì)輕。植入人體內(nèi) ：減輕人體負(fù)荷量，作為醫(yī)療器械 ：減輕醫(yī)務(wù)人員操作負(fù)荷。
（2）彈性模量低，純鈦為108 500 MPa，植入人體內(nèi) ：與人體自然骨更接近，利于接骨，減少骨頭對植入物的應(yīng)力屏蔽效應(yīng)。
（3）無磁性，不受電磁場和雷雨天氣影響，利于使用后的人體安全。
（4）無毒性，作為植入物對人體無毒副作用。
（5）抗腐蝕性（生物惰性金屬材料），在人體血液的浸泡環(huán)境中有優(yōu)異的耐腐蝕性能，保證與人體血液及細(xì)胞組織的相容性好，作為植入物不產(chǎn)生人體污染，不會發(fā)生過敏反應(yīng)，這是鈦及鈦合金應(yīng)用的基礎(chǔ)條件。
（6）強(qiáng)度高、韌性好，因外傷、腫瘤等因素導(dǎo)致骨、關(guān)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(guān)節(jié)等，這些植入物要長期留置于人體內(nèi)，會受到人體的彎曲、扭轉(zhuǎn)、擠壓、肌肉收縮力等作用，要求植入物具有高的強(qiáng)度和韌性。
2.2 鈦合金的醫(yī)用領(lǐng)域及骨科領(lǐng)域市場情況
隨著鈦合金的開發(fā)研制、鈦材品種的增多及價格的降低，鈦在民用工業(yè)中的應(yīng)用成倍增加。CFDA將醫(yī)療器械按照其安全性由高至低分為三個等級，并分別由三級政府進(jìn)行監(jiān)督管理，鈦及鈦合金材料的植入物屬于第三類醫(yī)療器械，并為高值耗材類。細(xì)分市場占比超過5%的子行業(yè)包括體外診斷，心臟，影像診斷，骨科，眼科，整形六大細(xì)分領(lǐng)域。
其中體外診斷、骨科和心臟介入是國內(nèi)增速最快的高值耗材。生物醫(yī)用鈦及其合金材料的應(yīng)用經(jīng)歷了3個標(biāo)志性階段[27]：
應(yīng)用初期50年代初，首先在英國和美國，商業(yè)純鈦被用來制造接骨板、螺釘、髓內(nèi)釘和髖關(guān)節(jié)。瑞士Mathys公司也采用Ti-6A1-7Nb合金制造非擴(kuò)髓帶鎖髓內(nèi)釘系統(tǒng)(包括脛骨、肱骨、股骨)及用于治療股骨頸骨骨折的中空螺釘?shù)取?/p>
多孔Nimdash;Ti(PNT)合金生物活性材料制造頸、腰椎間融合器(Cage)加拿大BIORTHEX公司研制出采用多孔Nimdash;Ti合金專利材料ACTIPORE伽制造頸、腰椎間融合器用于骨科脊柱損傷的治療。新型β鈦合金可兼顧骨科，齒科和血管介入等多種用途的先進(jìn)材料骨科醫(yī)療器械行業(yè)占比全球醫(yī)療器械市場份額的9%，且仍處于快速增長中。骨科醫(yī)療器械市場的主要劃分為四個領(lǐng)域創(chuàng)傷、關(guān)節(jié)、脊柱和其他。其中創(chuàng)傷類是目前唯一沒有被外企占據(jù)主要市場份額的細(xì)分領(lǐng)域，主要原因是該領(lǐng)域產(chǎn)品技術(shù)含量較低，易仿制，手術(shù)難度較小，眾多二三級醫(yī)院都可進(jìn)行，外企無法全面覆蓋。創(chuàng)傷類產(chǎn)品可以分為內(nèi)固定和外固定器械，內(nèi)固定創(chuàng)傷類產(chǎn)品包括髓內(nèi)釘、接骨板和螺釘?shù)龋?012年國內(nèi)骨科市場中創(chuàng)傷占比34%，關(guān)節(jié)28%，脊柱20%，其他18%。大關(guān)節(jié)屬于高端醫(yī)療器械，技術(shù)壁壘較高，目前主流醫(yī)院對骨科材料的選用上都是以進(jìn)口為主，在技術(shù)、設(shè)計、研發(fā)、材料、表面處理工藝等方面，國產(chǎn)與進(jìn)口產(chǎn)品還存在差距。
人工關(guān)節(jié)主要分為人工膝、髖、肘、肩、指、趾關(guān)節(jié)等，其中最主要的關(guān)節(jié)置換包括髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，合計超過全球關(guān)節(jié)置換市場的95%。脊柱植入器械包括胸腰椎釘板系統(tǒng)，頸椎釘板系統(tǒng)和融合器系統(tǒng)等，其中椎間融合器系統(tǒng)主要用于椎間盤更換的治療，也是最重要的細(xì)分領(lǐng)域，約占整個脊柱植入市場的一半。
3、結(jié)語
鈦合金的優(yōu)越性能成就了其在醫(yī)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。鈦合金的材料設(shè)計與制備技術(shù)隨著生物技術(shù)的突破和醫(yī)療應(yīng)用的大量需求得到了快速發(fā)展。
目前生產(chǎn)的醫(yī)用鈦合金主要為α+β型鈦合金。從制備工藝來看，TC4(TC4ELI)的生產(chǎn)目前占據(jù)主要市場份額。β型鈦合金由于在生物相容性和力學(xué)相容性方面具有一定的優(yōu)勢，因此已經(jīng)成為新型醫(yī)用鈦合金的研究熱點，是在醫(yī)用植入物領(lǐng)域最具潛力的技術(shù)。
今后鈦合金的生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)向著低模量，高強(qiáng)度，具有良好生物相容性和力學(xué)相容性的方向發(fā)展。從發(fā)展趨勢來看，β型鈦合金將成為未來發(fā)展的方向和醫(yī)用鈦合金市場的主流。
【參考文獻(xiàn)】
[1] 吳義舟，郭愛紅.生物醫(yī)用鈦合金發(fā)展和研究現(xiàn)狀[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2010，25(2) ：81-84.
[2] 2010-2013年鈦合金行業(yè)發(fā)展前景分析及投資風(fēng)險預(yù)測報告[R].2009.
[3] 劉福，吳樹建，王立強(qiáng).新型醫(yī)用鈦合金的特點及發(fā)展現(xiàn)狀[J].材料熱處理技術(shù)，2008，37(6) ：100-103.
[4] Mitsuo Niinomi.Mechanical biocompatibilities of titaniumalloys for biomedical applications[J].Journal of the MechanicalBehavior of Biomedical Materials，1(2008) ：30ndash;42.
[5] 詹文革.生物醫(yī)用鈦及鈦合金的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2007，24（1）：4-8.
[6] 于振濤.生物醫(yī)用鈦合金材料的研究、開發(fā)與應(yīng)用[C].第六屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議，2007.
[7] 楊文，李小武，張廣平.生物醫(yī)用含錫元素鈦合金的研究和進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報，2007，21（9）：56-66.
[8] 張興棟.生物醫(yī)用材料國際市場走勢[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2005（11）：27-32.
[9] 郭文淵，姚強(qiáng)，孫堅等.低模量高強(qiáng)度鈦合金的研究進(jìn)展[J].中國材料科技與設(shè)備，2007（3）:26-28.
[10] 梁芳慧.關(guān)節(jié)置換植入物用材料臨床應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報，2009，27（1）：112-117.
[11] 葛向南,朱達(dá)川,馮作明.低彈性模量β鈦合金的制備和性能[J].材料研究學(xué)報，2011，25（4）：369-372.
[12] 于振濤，余森，張明華等.外科植入物用新型醫(yī)用鈦合金材料設(shè)計、開發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].中國材料進(jìn)展，2010，29（12）：35-51.
[13] 趙立臣，崔春翔，劉雙進(jìn)等.基于d電子合金設(shè)計方法的生物醫(yī)用新型亞穩(wěn)β鈦合金的設(shè)計及性能研究[J].稀有金屬材料與工程，2008，37（1）：108-111.
[14] Daisuke Kuroda，Mitsuo Niinomi.Design and MechanicalProperties of NewβType Titanium Alloys for ImplantMaterials[J].Materials Science and Engineering A243(1998)244ndash;249.
[15] 趙立臣，崔春翔，黃楠.兩種新型生物醫(yī)用低彈性模量亞穩(wěn)β鈦合金的設(shè)計與性能研究[J].材料研究，2009(2) ：13-16.
[16] Chia-Wei Lin,Chien-Ping Ju,Jiin-Huey Chern Lin.Acomparison of the fatigue behavior of cast Tindash;7.5Mo withc.p.titanium,Tindash;6Alndash;4V and Tindash;13Nbndash;13Zr alloys[J].Biomaterials，2005(26) ：2899ndash;2907.
[17] 董和泉，國子明，毛協(xié)民，任忠鳴等.低能耗節(jié)約型鈦及鈦合金熔煉技術(shù)的發(fā)展趨勢[J].材料導(dǎo)報，2008，22(5) ：68-73.
[18] J.Maacute;lek，F(xiàn).Hnilica.Microstructure and mechanical propertiesof Ti-35Nb-6Ta alloy after thermomechanical treatment[J].Materials Characterization，66(2012) ：75ndash;82.
[19] Bomberger H B，F(xiàn)roes F H．JOM，1984，36(12) ：39.
[20] 彭志輝編著,稀有金屬材料加工工藝學(xué),中南大學(xué)出版社,2003.
[21] B.D.Venkatesh,D.L.Chen,S.D.Bhole.Effect of heat treatmenton mechanical properties of Tindash;6Alndash;4V ELI alloy[J].MaterialsScience and Engineering A 506(2009)117ndash;124.
[22] Xingfeng Zhao,Mitsuo Niinomi.Beta type Tindash;Mo alloyswith Changeable Youngrsquo;s Modulus for Spinal FixationApplications[J].Acta Biomaterialia 2012(8) ：1990ndash;1997.
[23] Mohammad H.Elahinia，Mahdi Hashemi，Majid Tabesh.Manufacturing and processing of NiTi implants:A review[J].Progress in Materials Science，57(2012) ：911ndash;946.
[24] P.Laheurtea，F(xiàn).Prima.Mechanical properties of low modulustitanium alloys designed from the electronic approach[J].Journalof the Mechanical Behavior of Biomedical Materials，3(2010) ：565-573.
[25] E.B.Taddei，V.A.R.Henriques.Production of new titanium alloyfor orthopedic implants[J].Materials Science and Engineering C，24(2004) ：683ndash;687.
[26] Jaroslav Maacute;lek，F(xiàn)rantindash;ek Hnilica.The influence of chemicalcomposition and thermo-mechanical treatment on Tindash;Nbndash;Tandash;
Zr alloys[J].Materials and Design，35(2012) ：731ndash;740.[27] 醫(yī)藥投資并購俱樂部骨科醫(yī)療器械深度報告[C],2017-09-30.
相關(guān)鏈接
