钛合金在生物医用材料方面的应用与发展

 钛合金在生物医用材料方面的应用与发展 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、耐蚀性等)及材料基体与表面(界面)的相互作用规律等。 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3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、神经刺激器等植入产品的加工材料。生物医用钛合金材料基本特征见表1所示[2]。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3类。 生物医用钛合金被加工成开放多孔状、三维贯通结构,有利于新骨细胞组织在植入体内粘附、分化和生长及水分和养料的传输,并且其密度、强度和杨氏模量可以通过孔隙率的调整同自然骨相匹配,从而使外科植入件和骨组织最终溶为一体而成为一种特殊的复合材料,增加外科植入件的长期稳定性和有效性。因此,多孔钛及钛合金被认为是目前最有吸引力的生物医用植入材料,也是今后重点的发展方向。2003年荷兰Ｊ.Ｐ.Ｌｉ教授采用多孔海绵法制作了多孔网状钛合金牙种植体,研究

  发现微孔尺寸为100～500μｍ的多孔钛最有希望用做整形外科牙种植体材料。随后美国Ｅｘａｃｔｅｃｈ公司采用钛珠烧结法在关节柄近端得到平均孔隙尺寸为152μｍ、空隙率为35%的多孔表面,还采用多孔喷涂技术制成了孔径尺寸为250～450μｍ、空隙率达61%的多孔表面。近年来,一些多孔钛加工的新技术不断涌现,引起人们的高度重视,如20世纪90年代以来发展起来的激光立体成形(ＬａｓｅｒＳｏｌｉｄＦｏｒｍｉｎｇ,ＬＳＦ)技术,已成功制备出了多孔纯Ｔｉ,ｉＮｉ和ＴＣ4合金,并在人工关节臼杯上制备出了多孔ＣｏＣｒＭｏ/Ｔｉ6Ａｌ4Ｖ功能梯度材料[37]。西北工业大学凝固技术国家重点实验室黄卫东课题组在这一领域的研究走在国内前列,其自主研制出先进的激光立体成形与修复装备并在国内首次实现商业化应用。西北有色金属研究院于振涛课题组采用激光刻蚀技术也成功地得到了表面多孔化的钛合金材料。清华大学李言祥采用定向凝固技术制备出定向排列规则多孔镁金属材料。 生物医用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。 因此,加强生物医用材料研制单位、医疗器械制造企业与医疗保健机构的有效协作和紧密配合,进一步开发新型优质的医用钛合金材料,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,不仅利国利民,也是大势所趋。