生物医用材料钛合金的发展概况及前景
生物医用材料的发展
生物医用材料在我国起步仅仅20年左右的时间，无论是原始创新的基础研究，还是技术创新性研究，整体水平均落后于发达国家。

尽管如此，在国家自然科学基金、“863”项目、“973”项目以及国家科技支撑计划等项目的大力支持下，近些年来我国生物医用材料的研究已从分散、低水平的重复研究，逐步集中于学科发展的方向和前沿，并取得了举世瞩目的蓬勃发展。

骨科修复材料因市场需求巨大，其研究与产业快速发展，在组织工程、药物缓释、纳米材料、血液相容与净化材料、非病毒性基因治疗载体等领域与国际先进水平的差距已逐渐缩小，并取得子一批具有自主知识产权的技术项目。

进入21世纪以来，我国生物医用材料加速发展我国生物医用材料研究领域研究论文的发表数量正在大幅度上升、被引用的次数也不断增加，在国际刊物上所占的比重也在提高。

钛合金在生物医学方面的研发史可追溯到20世纪40年代初期，Bothe等人首先把纯钛引入到生物医学领域，他们发现钛与老鼠股骨之间无任何不良反应。

10年后Leventhal又进一步研究证实了纯钛的良好生物相容性。

但是，由于医用不锈钢、钴铬合金在二次世界大战期间已开始盛行，钛合金在生物医学领域的应用和发展比较缓慢。

自从60年代Branemark将纯钛用于口腔种植体后，纯钛作为外科植入件材料才得到了广泛发展，随后α型钛合金Ti3Al2·5V也在临床上被用作股骨和胫骨替换材料。

纯钛等α型钛合金虽然在生理环境中抗腐蚀性优良，但其强度较低、耐磨性较差，从而限制了它在骨科较大承载部位的使用。

相比之下，α+β型钛合金
Ti6Al4V具有较高的强度和综合的加工性能，它虽是为航空、航天应用设计的，但70年代后期也被广泛用于制作外科修复或替换材料如接骨板、髋关节、髓内钉等。

纯钛、Ti3Al2·5V、Ti6Al4V钛合金属于第一代医用钛合金，这一时期材料和医学工作者是就地取材，没有专门开发针对生物医学工程用的钛合金。

到21世纪80年代中期，临床应用发现进行Ti6Al4V钛合金人工髋关节翻修手术时，假体周围骨组织有黑化和感染现象，随后研究证实V是对生物体有毒副作用的元素，特别是V的生物毒性要超过N，i Cr，而且此类合金的耐蚀性相对较差。

到90年代中期，瑞士和德国先后开发出了第二代以Nb，Fe替代V 的α+β型两相医用钛合金Ti6Al7Nb和Ti5Al2·5Fe，而且很快被列入国际生物材料标准，并开始在临床应用。

1985年瑞士Sulzer医疗技术公司开始采用Ti6Al7Nb合金制造髋关节柄，并成功投放市场，2000年引入中国，年销数万套。

几种主要的钛合金生物医用材料概述
金属系生物医学工程材料，特别是人体植入材料，应具备下列条件。

生物学条件：具备人体相容性、无异物反应、无变态反应、无致癌性、无抗原性、无毒。

还要求具备人体组织的生物亲和性、抗血栓性等人体安全性。

力学条件：高强度、高比强度；弹性模量接近骨，能促进材料与人体之间界面的牢固结合；良好的韧性；不发生疲劳现象；高的耐磨耗性。

化学条件：良好的耐蚀性、耐腐蚀疲劳、耐磨耗腐蚀疲劳、不产生有害重金属离子的溶出物。

其他条件：非磁性、加工性能及功能材料特性。

钦和钦合金能够满足这些主要条件。

比重小、强度高，能满足牙科、医学界
提出的“轻量化”和“钦化”要求。

在人体内的腐蚀环境中，钦几乎完全不腐蚀。

钦合金在人体内不发生间隙腐蚀。

钦具有优良的人体相容性，不会引起炎症、过敏性和变态反应，还具有抗血栓性。

弹性模量低，可满足界面上的力学适应性等。

而不锈钢系、钻系耐热合金在这些方面都是无法媲美的。

医学界认为，钦和钦合金是理想的、很有发展前途的生物医学工程材料。

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类标准。

植入型钛合金主要有以下几种：
钛粉末制品植入物。

美国一家公司用钦粉末制造的结构植入物获得了较广泛的应用。

一种多孔钦/金属复合材料(vMC)，是用钦粉和镁粉均匀混合、压制成形、高温烧结并与基体金属复合制成的。

vMC的孔径大小、孔隙度和孔隙向位，可由微细球形镁粉来控制调整。

Ti一6AI一4v合金vMc结构植入物置入人体中，可促进新生骨细胞向植入物内生长并产生钙化，是一种较理想的多孔复合材料。

工业纯钦植入物。

工业纯钦，延性好、弹性模量低，可制作人工股关节、膝和肘关节等各种植入物，作骨胳内的支撑柱是最合适的。

纯钦制的人体用夹钳、锁环等缝合用具，临床手术上很适用。

Ti一6AI一4v合金植入物。

铸造Ti一6AI-4v(zT4)合金是生产人工骨、关节的主要材料。

采用真空自耗凝壳炉熔炼和成组铸铁模浇注工艺，批量生产出表面光洁、质量好的移轴式和铰
链式的ZT4钦合金人工膝关节，并可组合成整体股骨和整体胫骨，临床应用效果良好。

一种多孔表面和超塑性锻造的人工靛关节在研制开发中。

ZT4高强钦合金人工半骨盆，用来治疗骨盆部原发性恶性肿瘤，临床上术后疗效良好、关节稳定、行走方便。

Ti一5AI一2。

SFe高强钦合金。

近年来发现，作外科人体植入物的316L不锈钢、co-er一Mo合金和肠一6AI一4V合金中的Ni、Co和v临床上发生变态反应，于是研究开发不含上述三元素的Tj一SAI一2。

SR高强钦合金，于1983年植入人体获得成功。

该合金可采用离心铸造、锻造和轧制工艺加工，也可用粉末冶金法生产。

该合金轧材的比屈服极限比工业纯钦的高得多。

退火态下，其断裂韧性K，C为1225N/mm3/2。

毒性实验证明，它比Ti一6AI一4v合金的生物相容性更好。

临床上已成功地用作胫骨假体，可作长期性植入材料。

Ti12。

5Zr2。

5Nb2。

5Ta(简称TZNT)。

新型医用钛合金Ti12。

5Zr2。

5-Nb2。

5Ta(TZNT)。

该合金具有比Ti6Al4V 和Ti6Al7Nb低的弹性模量，因而具有更优异的生物力学相容以Zr、Nb、Ta作为强化元素的新型医用钛合金TZNT比Ti6Al7Nb和Ti6Al4V具有更好的生物相容性。

生物医用材料钛合金的生物相容性等性能要求
当前在医学界广泛使用生物相容性和耐蚀性优良的钛合金作为硬组织修复替代材料。

Ti6Al4V被最先用作生物材料，但在使用过程中会释放少量钒(V)，从而引起细胞毒性反应和生理紊乱。

随后Ti6Al7Nb在瑞士被开发，该合金用无
毒元素铌(Nb)取代了钒(V)，具有更好的生物相容性，但是元素铝(Al)的存在可能引起骨质溶解和神经紊乱。

这2种合金存在的另一个不足就是弹性模量高，和人体骨骼的弹性模量严重不匹配。

这会导致承受应力的金属和骨骼产生不同的应变，在界面出现相对位移，从而造成界面处松动；另外由于应力不能完全从人体关节传递到其邻近的骨组织，可能导致骨吸收和功能退化，产生力-屏蔽现象。

根据国际标准化组织(ISO)和中国卫生部的规定，安全性评价方法主要有两类:一是动物体内实验，即将材料植入动物体内，然后分阶段将植入物连同周围组织取出，做组织学检查；另一类是体外实验，即将材料或其浸提液与体外培养细胞直接接触，观察其对细胞生长及增殖的影响。

生物医用材料钛合金的发展前景
生物医用材料及生物技术是21世纪材料研究的前沿和热点之一"而生物材料及其医疗器械产品已成为全球迅速兴起的一个高新技术产业!据悉目前国际生物材料及其医疗器械产值已超过677亿美元"其中美国约为477亿美元"与其半导体产业相当!因此作为一个高技术附加值的产业"生物医用钛合金材料及制品在医用植入件和医疗器械市场势必前景远大!而我国在生物医用钛合金研究与开发方面与国际水平差距较大"因此需要加大科技投入和研发力度"生物医用钛合金今后的研究方向可以概括为以下几个方面：
开发第3代新型生物医用钛合金（生物及力学相容性最佳"低弹性模量"易熔炼和加工成型"成本较低）
深入研究合金元素对钛合金加工组织和性能的影响"为新合金设计开发提供
理论指导’
重点开展医用钛合金表面改性研究"包括抗凝血、诱导成骨功能、抗摩擦疲劳、增加耐磨性等"以达到表面涂层的梯度化、多功能化’
加大对医用植入材料的临床应用研究"为钛合金医用制品尽早走向市场铺平道路!。