外科植入物材料是用于對生物體進行治療、 修復(fù)、替換病損組織器官或增進其功能的材料，要求材料具有生物相容性、優(yōu)良的機械性能和耐腐蝕性能，主要用于生物體硬組織和軟組織的修復(fù)、 替換以及人工器官的制造。 隨著生物技術(shù)的蓬勃發(fā)展和重大突破，外科植入物材料及其產(chǎn)業(yè)將成為世界經(jīng)濟的新支柱 。

目前廣泛應(yīng)用的外科植入物金屬材料有不銹鋼、鉆基合金、鈦及鈦合金、貴金屬和純金屬（鉭、鈮等）五大類。 不銹鋼價格低廉易于加工，但耐蝕性和生物相容性較差，彈性模量高；鈷鉻合金的耐磨性好，但密度較大，含對人體有毒元素；貴金屬、純金屬有強耐腐蝕性，但價格昂貴 。

鈦及鈦合金由于具有比強度高、生物相容性好、彈性模量較低、耐蝕性好等特點，成為理想的外科植入物金屬材料，被廣泛應(yīng)用于人體骨、關(guān)節(jié)、牙科、整形外科、 心臟外科、體內(nèi)支撐架等醫(yī)學領(lǐng)域 。

1、外科植入物用鈦及鈦合金發(fā)展歷史

外科植入物用鈦及鈦合金從應(yīng)用初期至今經(jīng)歷了三個發(fā)展階段 。

1.1 應(yīng)用初期

鈦在生物醫(yī)學方面的研發(fā)史可追溯到上世紀40年代 當時證實了純鈦良好的生物相容性。 但由于醫(yī)用不銹鋼、鈷鉻合金在二次世界大戰(zhàn)期間已開始盛行， 鈦合金在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展比較緩慢。 自60年代起將純鈦用于口腔種植體后，純鈦作外科植入物材料才得到廣泛發(fā)展。 隨后Ti-3A1-2.5V也在臨床上被用作股骨和脛骨替換材料。 純鈦及Ti3-Al-2.5V雖然在生理環(huán)境中抗腐蝕性優(yōu)良， 但其強度較低、耐磨性較差，從而限制了它在骨科較大承載力部位的使用 。

隨后，1954年美國水城兵工廠實驗室研制成功的Ti-6A1-4V, 因具有較高的強度和綜合的加工性能 ， 逐漸由宇航工業(yè)推向醫(yī)用，并于上世紀 70年代后期被廣泛用于制作接骨板、 骯關(guān)節(jié) 、 髓內(nèi)釘?shù)韧饪菩迯?fù)或替換材料。直至目前， TI6A14V仍是廣泛應(yīng)用于外科植入物材料的重要鈦合金 。

純鈦 、 Ti-3A1-2.5V 、 Ti-6A1-4V鈦合金屬于第一代外科植入物用鈦及鈦合金，這一時期材料就地取材，沒有專門開發(fā)針對生物醫(yī)學工程用的鈦合金 。

1.2 發(fā)展階段

隨著臨床醫(yī)學發(fā)現(xiàn)V元素可引起呼吸、神經(jīng)、胃腸和造血系統(tǒng)的損害， 降低生物體抵抗外界壓力、毒素及致癌物的能力， 長期用于人體有潛在危害。

為擴大鈦合金在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，消除銳釩元素對生物體的毒副作用，上世紀80年代由瑞士Sulzer醫(yī)學技術(shù)公司開發(fā)了Ti-6Al-7Nb鈦合金， 并于1985年開展臨床應(yīng)用，取得了良好效果。 相繼建立了ASTM F1295、ISO 5832-11等醫(yī)用鈦合金材料標準。 同時期 ，其他國家也研制了無釩醫(yī)用鈦合金， 如德國開發(fā)的Ti-5Al-2.5Fe醫(yī)用鈦合金， 并建立了ISO 5832-10國際標準。

自上世紀80年代未起，以Ti6-Al-7Nb為代表的第二代鈦合金在國際得到認可后， 便在醫(yī)療行業(yè)廣泛應(yīng)用。

1.3 提高階段

以Nb、 Fe等元素代替有毒V元素的第二代醫(yī)用鈦合金， 其性能較Ti-6A1-4V并無明顯改進， 見表1 。

表1 外科植入物材料性能對比

第二代鈦合金的彈性模量與人體骨彈性模量仍差距較大， 容易產(chǎn)生“ 應(yīng)力屏蔽 ”，從而導致種植體周圍出現(xiàn)骨吸收和功能退化， 最終引起種植體的松動或斷裂而造成種植失??；同時隨著醫(yī)學臨床的研究， 證明A1、V、Co、Ni、Fe、Cr等細胞毒性元素,長期植入人體內(nèi)， 會降低細胞適應(yīng)性， 造成骨質(zhì)疏松和精神紊亂等病癥。

自上世紀90年代起，美國、日本便開始研制采用Nb、Ta、Mo、Zr、Sn 替A1、V、Ni、Fe、Cr等有毒元素，且強度高、生物相容性好、 彈性模量更接近人體骨的第三代β型外科植入物用鈦合金。如美國的Ti-13Nb-13Zr、Ti-15Mo-2.8Nb-0.2Si、Ti-15Nb、Ti-16Nb-10Hf,Ti-15Mo、Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr；日本的Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr、Ti-29Nb-13Ta-2Sn。至今,低模量亞穩(wěn)定β鈦合金仍是外科植入物用鈦合金材料研究的重點。

2、外科植入物用鈦及鈦合金標準現(xiàn)狀

我國外科植入物用鈦及鈦合金材料生產(chǎn)主要采用中國國家標準（GB或 GB/T）、美國材料與試驗協(xié)會標準（ASTM）及國際標準（ISO）三類，見表2。

表 2 典型外科植入物用鈦及鈦合金現(xiàn)行材料標準

國際ISO外科植入物用材料標準為ISO 5832系列。 涉及第一 、 二代鈦及鈦合金共 4 個標準（關(guān)于Ti-5Al-2.5Fe的ISO 5832-10 于2000年廢止）。 國際ISO標準在內(nèi)容上只規(guī)定了材料的基礎(chǔ)屬性， 如化學成分 、 力學性能和顯微組織。

美國ASTM 外科植入物用材料標準為ASTM F系列 ， 涉及了已臨床應(yīng)用的三代鈦及鈦合金材料，且標準的更新速度較快。美國ASTM 標準除材料基礎(chǔ)屬性外，還對尺寸公差、表面污染層和無損檢測做了規(guī)定。 自2011年后，ASTM F系列鈦標準更新中陸續(xù)加入了美國宇航材料的相應(yīng)要求，如 AMS 2380“優(yōu)質(zhì)鈦合金的認可及控制”和AMS 2631“鈦及鈦合金棒材及鍛坯的超聲波檢驗”。美國ASTM F系列的變化體現(xiàn)了外科植入物用鈦材在質(zhì)量體系上的高要求不低于宇航用鈦材。

中國GB或GB/T標準主要通過采用美國ASTM及國際ISO先進標準制定，因此標準整體上與國外先進標準有一定的滯后性，性能指標雖與國外先進標準無差距，但缺少完善的質(zhì)量保證體系及配套工藝。同時ASTM與ISO在力學性能檢測方法上體系有差異， 因此在合并采用美國ASTM及國際ISO標準時,國內(nèi)標準規(guī)定的塑性指標與國外先進標準有可能并不一致 。

3、存在問題

隨著臨床醫(yī)學的進步，外科植入物用鈦急劇攀升，國內(nèi)很多醫(yī)療生產(chǎn)廠家已將鈦合金材料植入物作為產(chǎn)品開發(fā)的重點，但還存在很多問題。

①材料研究仍以仿制或改進國外材料為主， 缺少真正的自主創(chuàng)新產(chǎn)品； 國內(nèi)臨床研究缺乏統(tǒng)計學意義， 不被國際認可研究成果轉(zhuǎn)化慢 。

②國內(nèi)外科植入物材料標準以等同翻譯或修改采用ASTM及ISO標準制定， 但并無制定與之相配套的專用生產(chǎn)工藝、質(zhì)量控制檢驗程序及相關(guān)法規(guī)。 現(xiàn)國內(nèi)除個別有軍工體系及美國宇航體系認證的企業(yè)能得到國外高端醫(yī)療機構(gòu)認可外,絕大多數(shù)企業(yè)進入不了國外市場問。

③外科植入物產(chǎn)品生產(chǎn)廠家對鈦合金材料牌號、性能缺乏科學認識，盲目認為符合標準的就行,不了解上游材料生產(chǎn)廠家是否有相應(yīng)生產(chǎn)資質(zhì)，材料追溯性不強；導致出現(xiàn)由于產(chǎn)品材料原因而造成多例植入物在體內(nèi)發(fā)生斷裂失效 ， 引起醫(yī)療糾紛的事件 。

④對外科植入物用鈦合金材料的研究力度不夠。鈦合金植入物材料的加工工藝、表面處理水平等都與世界先進水平有很大差距。

4、展望

作為外科植入物使用的主要金屬材料之一，鈦及鈦合金已經(jīng)得到了廣泛認可。隨著我國醫(yī)療改革的深入，外科植入物用鈦合金材料的使用也會逐年增加，因此急需在以下幾方面取得進展。

①改進現(xiàn)有外科植入物用鈦及鈦合金材料的不足 ， 利用非晶化、表面納米化和微晶化以及表面改性和活化技術(shù)，提高其生物相容性、化學穩(wěn)定性 、耐磨性 ，使其綜合力學性能大幅提高，促進其在骨科植入物或牙科修復(fù)物產(chǎn)品方面的臨床應(yīng)用。

②開發(fā)低彈性模量，高耐磨性能 、抗腐蝕性能及高斷裂韌性，低裂紋擴展速率、 高損傷容限 ， 并具有優(yōu)良生物相容性的外科植入物用鈦及鈦合金材料。

③提高我國外科植入物用鈦及鈦合金加工材的質(zhì)量水平， 材料的質(zhì)量控制標準要與國際接軌,并加強材料的標準化創(chuàng)新工作。

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