醫(yī)用鈦合金研究進展

蔡丹丹 陳鈿 張龔敏 余永環(huán) 廣東省藥品監(jiān)督管理局審評認證中心 （廣東廣州 510080）

內容提要：從傳統(tǒng)鈦合金，新型鈦合金，表面改性鈦合金，多孔鈦合金四個方面回顧了近年來鈦合金材料在生物醫(yī)用領域研究進展，并展望了醫(yī)用鈦合金的發(fā)展方向與研究熱點。

生物金屬材料憑借自身強度高，抗生理腐蝕及抗疲勞性好，耐磨，良好的生物力學及加工性能等優(yōu)點，在創(chuàng)傷修復及矯形治療等領域得到廣泛應用。生物金屬合金材料主要分為不銹鋼，鈷合金與鈦合金三大類。其中，不銹鋼與鈷合金由于彈性模量較高，在生理環(huán)境中耐腐蝕性差，且普遍含有Ni、Co等具有生理毒性金屬元素等缺點，近年來臨床應用呈下降趨勢[1]。與之相反，鈦合金的應用迅速普及，主要因為鈦合金用于生物醫(yī)用材料主要有以下幾個優(yōu)點[2]：①密度小，密度比不銹鋼輕44%，顯著降低植入后人體負荷量。②抗腐蝕性好，在特定環(huán)境下（氧化性或中性溶液），鈦表面能形成耐腐蝕的穩(wěn)定氧化膜。是一種優(yōu)良的生物惰性金屬材料。③生物相容性良好，與生物體相容性好，無任何毒副作用。④彈性模量低，鈦合金與人體自然骨的彈性模量相對接近，彈性模量比不銹鋼降低47%，可以顯著減輕應力屏蔽效應。基于上述優(yōu)點，目前鈦合金廣泛應用作骨創(chuàng)傷產品，人工關節(jié)，心血管支架及牙科植入物等醫(yī)用材料[3]。鈦合金材料研究也是生物醫(yī)學材料研究熱點領域之一。

1.傳統(tǒng)鈦合金材料

鈦合金的發(fā)展分為三個階段，第一階段α型，以鈦金屬和Ti-6Al-4V 為代表。第二階段是α+β型，以 Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb為代表。第三個階段是β型鈦合金。本文將α型及α+β型統(tǒng)稱為傳統(tǒng)鈦合金。

α型鈦合金臨床應用時間最長。上世紀60年代初期，由Branemark將鈦金屬用于口腔種植才拉開了鈦金屬在醫(yī)用領域的應用熱潮[4]。然而，鈦金屬本身強度較低，耐磨損性能差，植入后易骨折等缺點限制它不能應用于承載力大的部件。在此基礎上，Ti-6Al-4V憑借著自身更低的彈性模量，更好的力學相容性和耐生理腐蝕性等特性成為臨床鈦金屬材料的替代品。直至今天，Ti-6Al-4V材料依然是世界范圍內使用最廣泛的鈦合金之一。

然而研究結果表明，V對人體具有生理毒性[5]。為了避免V的危害，研究者以Fe，Nb代V，開發(fā)Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb為代表一系列α+β型鈦合金[6]。但是，α+β型鈦合金彈性模量依然數(shù)倍于（4～10）自然骨的彈性模量（20～30Gpa）。兩者之間彈性模量的不匹配引發(fā)“應力屏蔽”，從而導致種植體周圍的骨吸收和松動等缺陷并沒有根本改善。

2.新型鈦合金材料

在傳統(tǒng)鈦合金的基礎上，通過添加Nb，Mo，Ta等生物相容性好的穩(wěn)定元素形成的新型β型鈦合金材料應運而生。例如美國開發(fā)出的Ti-12Mo-6Zr-2Fe（TMZF）合金，模量為74～85GPa，是第二代傳統(tǒng)鈦合金的75%[7]。日本森永正彥[8]開發(fā)了一系列的四元系醫(yī)用鈦合金：Ti-35Nb-13Ta-4Mo和Ti-29Nb-13Ta-5zr合金，彈性模量僅有55～65GPa。在我國，由Zheng等[9]研制的Ti-24Nb-4Zr-7.6Sn新型β型鈦合金制作的骨科用接骨板和脊柱固定系統(tǒng)兩類植入器件已在數(shù)家醫(yī)院完成臨床試驗，進入規(guī)模應用階段。

3.鈦合金材料表面改性

表面改性一直是增強材料性能的主要途徑之一，在醫(yī)用鈦合金研究領域，表面改性主要用于提高鈦合金的生物相容性，耐腐蝕性及耐磨性。

提高鈦合金耐磨性：通過不同的改性方法在鈦合金表面形成TiC或TiN保護層最為常見。表面保護層不僅增加了鈦合金的硬度，同時，改變了鈦合金的表面晶格，顯著提高了鈦合金的耐磨性能。例如Palanivelu等[10]通過等離子噴涂技術制備了AT13/HAP雙面圖層，將鈦合金的表面硬度提高到（728±12）HV，耐磨性增強1.728倍。

提高生物相容性：生物活性涂層是有效途徑之一，目前，羥基磷灰石圖層（HA）是研究與應用最多的涂層材料，其本身與人體硬組織相似的化學組成，晶體結構，良好的生物活性及相容性，使得在植入后能夠與骨骼結合緊密，并誘導骨組織愈合。然而，目前臨床實踐表明，由于殘余應力，涂層與基體結合不理想，結合邊緣地帶易溶解等問題依然存在，在HA涂層基礎上，添加ZrO2，Y2O3，CaO等化合物的復合涂層技術，引入過渡層或緩沖層的多層技術，功能梯度涂層以及有機無機復合涂層等技術也在不斷的發(fā)展[11]。

提高耐腐蝕方面：耐腐蝕與耐磨作用相通，例如Hang等以石墨烯為鈀材料，NiTi合金為基體，使用電弧增強的磁控濺射制備了DLC涂層，顯著增強鈦合金的耐磨及耐腐蝕性能[12]。

此外，為實現(xiàn)抗菌，美觀，記性等特殊功能而進行對鈦合金進行特殊表面改性技術也在逐步發(fā)展。

4.多孔及復合鈦合金材料

筆者前文提到，“應力屏蔽”是目前鈦合金在醫(yī)用領域應用面臨的主要問題。而多孔鈦及鈦合金能有效緩解合金及骨骼之間的彈性模量差異所引起的應力屏蔽問題。空隙的存在一方面能夠使得材料的比表面升高，強度及彈性模量降低，另一方面，三維開發(fā)式多孔結構能夠促進骨骼生產，為骨增值細胞在空隙中分化提供空間，形成機械固定，同時，空隙的存在可使組織液，營養(yǎng)物質進入植入體內部，加速植入體與生物體融合[13]。

在純鈦金屬造孔研究中，李虎等[14]分別通過發(fā)泡和粉末治金等方法獨立制備了不同種類的多孔鈦金屬，結果均表明孔隙結果的存在降低了材料的彈性模量，同時提高了生物體與材料的相容性，加速了愈合過程。

多孔鈦合金技術是近年來發(fā)展起來的優(yōu)秀功能材料和結構材料，具有廣闊的科研和應用價值，也是目前醫(yī)用鈦合金研究領域的重難點。HUANG H等[15]分別通過激光燒結及EBM等不同方法制備了多孔鈦合金，研究均表明適宜的孔隙結構不僅有利于提高鈦合金在生物體中的相容性，也能顯著延長植入體的使用壽命。

5.小結

鈦及鈦合金憑借自身優(yōu)點在醫(yī)用領域得到了廣泛的應用，然而由于應力屏障及生理毒性等問題存在，α型及α+β型傳統(tǒng)鈦合金將逐漸被新型β型鈦合金所取代，與此同時，為了進一步的提高鈦及鈦合金材料的生物相容性，安全性，耐腐蝕及耐磨損等性能，表面改性涂層與多孔鈦合金技術逐漸發(fā)展，未來，鈦合金的主要研究將集中在以下幾個方面：①更低彈性模量的多孔新型β型鈦合金制備技術發(fā)展。②耐腐蝕，耐磨，高安全性表面改性涂層發(fā)展。③進一步優(yōu)化鈦合金表面涂層，顯著改善其生物活性，增加材料易用性，延長材料使用壽命。④新型鈦合金材料臨床應用推廣和產業(yè)化加速推進。鈦合金材料技術發(fā)展將不僅僅能促進醫(yī)用材料的進步，也能極大地推動功能化，結構化材料研究進步，具有十分重大的科研和經濟價值。