1、概述
　　生物醫用材料是材料科學的一個重要分支，是用于診斷、治療或替代人體組織、器官或增進其功能、具有高技術含量和高經濟價值的新型載體材料，是材料科學技術中一個正在發展的新領域。生物醫用材料對于探索人類生命奧秘、保障人類健康長壽做出更大貢獻。
　　近10多年以來，生物醫用材料及制品的市場增長率一直保持在20％-25％左右，預計未來10年-15年內，包括生物醫用材料在內的醫療器械產業將達到醫藥制品市場規模，成為21世紀世界經濟的支柱產業。
　　在生物醫用金屬材料中，鈦及其合金憑借優良的綜合性能，成為人工關節(髖、膝、肩、踝、肘、腕、指關節等)、骨創傷產品(髓內釘、鋼板、螺釘等)、脊柱矯形內固定系統、牙種植體、牙托、牙矯形絲、人工心臟瓣膜、介入性心血管支架等醫用內植物產品的首選材料。目前，還沒有比鈦合金更好的金屬材料用于臨床。發達國家和世界知名體內植入物產品供應商都非常重視鈦合金的研發工作，推出了一系列新的醫用鈦合金材料，包括具有生物活性的鈦合金仿生材料，在醫用鈦合金材料的表面處理方面也做了很多專利性的設計與開發，賦予醫用鈦合金材料更好的生物活性以滿足人體的生理需要，從而達到使患者早日康復的目的。
　　世界人口近65億，據不完全統計，傷殘者接近4億，肢體傷殘者6000萬，牙病患者20億，目前生物材料器件植入者僅有3500萬人，每年關節置換量約150萬例，與實際需要置換者的數量相差甚遠。因此，生物醫用材料市場需求潛力巨大。而作為生物醫用金屬材料的首選，鈦及其合金需求也將大增，因此加大醫用鈦合金材料的研發力度勢在必行[1]。
　　2、生物醫用鈦及其合金材料的發展歷程、最新進展及市場狀況
　　生物醫用鈦及其合金材料的發展與應用經歷了4個標志性階段。
　　2.1 應用初期
　　50年代初，首先在英國和美國，商業純鈦被用來制造接骨板、螺釘、髓內釘和髖關節。由于接骨板在手術中需要塑形，以便貼敷斷骨的生理解剖形狀，所以直到現在，經過特殊加工處理的商業純鈦(IS05832-2)仍被用來制造接骨板及配套螺釘，如AO骨內固定植入物產品指定制造商瑞士馬特仕公司(Mathys Medical Ltd.，Switzerland)生產的全系列AO鋼板及螺釘，這是高強度鈦合金所不能替代的。經臨床發現，使用商業純鈦制造髓內釘及髖關節存在著明顯的強度、剛度不足的問題。為避免內固定植入物的斷裂失效，提高植入物的強度，在英、美、俄、日等國，出現了采用高強度Ti-6A1-4V(IS05832-2)合金替代純鈦材料。
　　2.2 發展階段
　　Ti-6A1-4V合金本身也在發展，出現了具有高斷裂韌性、低裂紋擴展速率、低間隙元素型Ti-6A1-4VELI高損傷容限鈦合金，直到目前占80％以上鈦合金植入物產品仍在使用這種合金。
　　雖然Ti-6A1-4V合金具有優異的性能，但由于V元素可引起惡性組織反應，可能對人體產生毒副作用，因而促使材料學家研究新的不含V的鈦合金材料。自80年代，德國和瑞士的生物材料學家先后研制出Ti-5A1-2.5Fe和Ti-6A1-7Nb合金。這2種合金中，Ti-6A1-7Nb(IS05832?11)合金的臨床應用更為成功01985年瑞Sulzer醫療技術公司首先采用鍛造Ti-6A1-7Nb-Protasu1100材料制造髖關節柄，并取得準產注冊[2]，用于臨床，市場反映良好，目前此類產品已被引入中國。瑞士Mathys公司也采用Ti-6AI-7Nb合金制造非擴髓帶鎖髓內釘系統(包括脛骨、肱骨、股骨)及用于治療股骨頸骨骨折的中空螺釘等。
　　2.3 提高階段
　　20世紀90年代以采，在鈦合金植入物材料方面，不斷有關于AⅡ對人體存在潛在危害的報告，認為A1會引起骨質疏松和精神紊亂等病癥，所以生物材料學家開始探索與研究不含V、A1的新型生物用鈦合金。其中研制成功并已被臨床允許采用的合金有Ti-13Nb-13Zr合金(ASTM F1713-1996)、Ti。12Mo-6Zr-2Fe合金(ASTM F1813-1997)。
　　Ti-13Nb-13Zr合金是90年代初由美國科學家研發的低彈性模量、高強度、高韌性、高疲勞強度及良好生物相容性等綜合性能良好的生物鈦合金。與Ti-6A1-4V相比，其彈性模量低30％，平面斷裂韌性高20％(65MPa.m1／2)；彎曲及剪切模量低30％-40％，在同種人體模擬體液中腐蝕率低40％。經冷、熱加工后，在保持高強度的情況下，模量可下降至50MPa，更接近于人體皮質骨[3]。目前，這種材料被國際知名牙科材料制造商用來制造牙種植體。
　　Ti-12Mo-6Zr-2Fe合金也是近年來被國際知名金屬內植物制造商推崇的一種生物醫用鈦合金。這種合金具有較低的彈性模量、高強度、較高的斷裂韌性(90MPa.m1/2)，較好的耐磨性和優異的耐腐蝕性等，是一種綜合性能良好的亞穩定p型生物醫用鈦合金。與Ti-6A1-4V相比，其彈性模量低25％，材料的柔軟性更好，斷裂韌性高約80％(90：52)，還具有優異的機械性能：抗拉強度比Ti-6A1-4V高20％，抗疲勞強度高47％。全球最大的骨科專業集團公司之一??STRYKER集團公司的下屬公司Stryker Howmedica OSTEONICS(史賽克關節分公司)采用Ti-12Mo-6Zr-2Fe合金(TMZFR BETA)制造Howmedica Partnership系統(髖關節假體系統)中的MeridianTMZF股骨柄，此系統在質量、功能和臨床效果方面已達到骨科臨床要求的最高標準??頂尖級。Stryker SPINE(史賽克脊柱分公司)還采用TiMoZrFe合金制造頸椎前路鋼板系統(REFLEX Anterior Cervical Hate)。以上2種產品已引進中國市場。
　　2.4 創新階段
　　沒有創新，就沒有進步。近年來，在醫用鈦合金方面有很多創新成果。
　　(1) Ni-Ti形狀記憶合金(NTSMA)的開發與應用
　　80年代初期，Ni-Ti狀記憶合金成功田干骨科臨床，引起骨科專家和臨床醫生的關注，并稱之為“神奇金屬”。這種功能材料具有奇特的形狀記憶效應、超彈性、耐疲勞、耐磨損、耐腐蝕、生物相容性好。它是由56％(質量百分比)的Ni和44％(質量百分比)的鈦組成。用于骨科臨床的NTSMA的變形溫度為0℃-5℃，回復溫度為37℃左右。用NTSMA材料固定骨折后，在體溫或熱鹽水濕敷下升溫而產生形狀回復，但骨骼對材料回復產生了限制，這樣在骨折斷端產生一種動態、持續性質的加壓力或鉗夾力而達到固定骨折的作用。我國NTSMA材料的基礎研究比國外晚，但在臨床應用研究方面處于國際領先地位。2000年，在骨科內植入物方面，蘭州西脈記憶合金股份有限公司，取得國家藥品監督管理局的產品準產注冊，促進了NTSMA骨科內植物的臨床應用。目前，我國已有3家企業注冊生產NTSMA骨內固定裝置，主要有騎縫釘、聚髕器、環抱鋼板、Ni-Ti弓形記憶加壓接骨器、髓內釘等產品[4]。
　　NTSMA還被用在介入性治療上。介入性治療是近10年發展快速的一種先進非手術診療臨床技術。這種技術通常是在X射線圖像監視下，利用穿刺插管技術，將特制的導線、導管、球囊或支撐支架沿血管或體內其它管腔輸送到體內病變處就地治療，具有創傷輕、痛苦小、風險小、省時、可靠、康復快等特點。介入性治療材料包括支架材料和輸送系統材料，其中支架材料首選NTSMAo近幾年我國介入性治療發展迅猛，年增長率保持在20％-30％，2002年接受介入治療的患者已接近15萬例。目前，介入治療所需材料主要依靠進口，已取得FDA認證進入中國市場的企業有20多家。其產品質量、性能都優于國內產品，售后服務到位，但價格昂貴，約1.2萬元／件-1.6萬元／件。主要供貨商有美國JOHNSON&JOHNSON COMPANY CORDIS CO.，、美國MEDTRO NIG，INC、加拿大NUMED CANADA INC等；我國也有一些公司生產，如北京四泰新技術開發公司、北京鑫泉公司、北京龍舟飛渡記憶合金應用研究所等。
　　此外，NTSMA還被用在牙科正畸治療上，北京有色金屬研究總院稀貴所(現北京有研億金股份有限公司)生產的NTSMA牙弓絲，不僅在國內銷售、應用，而且出口海外。
　　(2) 多孔Ni-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Ni-Ti合金專利材料ACTIPORETM制造頸、腰椎間融合器用于骨科脊柱損傷的治療。這種材料具有65％左右的空隙率，平均微孔尺寸215μm-230μm，具有生物活性，促進新生骨通過微孔與支架快速生長，內部相互連接多方向的微孔產生毛細管滲透作用，促使血液、基本營養和骨髓進入椎體間融合器。這種金屬植入材料彈性模量與松質骨接近，從而避免了應力遮擋效應，促進骨重建并對骨細胞的生長提供了良好的環境支持，骨生長細胞和營養滲透到相互連接的微孔加速了骨整合。這種椎間融合器的最大特點是不用植骨(其它材料椎間融合器需要進行骨移植，使用自身髂骨)，植3.1年后，骨重建在融合器內部完成并與周圍骨密度相匹配。經動物試驗，PNT合金具有良好的生物相容性[5,6]。2000年，該產品取得CE認證，并在歐洲及部分亞洲市場開始銷售。目前，正加緊進行更為嚴格的臨床驗證，從而申請美國FDA認證。該產品也有望近期引入中國市場。
　　(3) 多孔鈦合金制造人工髖關節假體
　　生物固定型(非骨水泥)人工關節是當前骨科領域專家、臨床醫生推崇的人工關節假體。它要求髖關節柄材料或表面具有生物活性，能誘導骨細胞生長，使關節柄與股骨髓腔界面產生骨整合，從而避免采用骨水泥固定帶來的弊端，即長期使用后產生松動、下沉和脫位。因此，關節柄的部分階段采用多孔鈦合金材料將賦予假體生物活性，有助于柄與髓腔的骨性生理結合。90年代末期，德國和日本的科學家成功利用定向凝固技術，以氫、氧、氮氣為發泡氣體制備出定向凝固多孔金屬材料(即泡沫金屬)。德國克魯勃醫療技術公司(Krupp，gb Implantat-Technologie GmbH)采用此項技術生產出多孔鈦合金股骨柄假體。
　　(4) 多孔鈦合金涂層技術用于人工關節假體制造
　　制造生物固定型人工關節的另一種方法是在鈦合金關節柄表面產生多孔。可將微小鈦珠粒(微球粉末)燒結或采用等離子噴涂方法，將微粒燒結(一般為雙層或三層)或等離子噴涂在關節柄的部分表面，使其表面具有多孔性，減少了植入物與骨彈性模量的差別，有利于骨細胞的生長和營養的遞送，從而獲得生理骨整合。如美國Exactech AcuMatchtm-A系列髖關節柄部近端采用直徑為0.28mm的鈦珠，三維立體排列。燒結后，三排珠尺寸相加為0.84mm，孔隙平均尺寸為152μm，平均空隙率為35％，這表明在柄部燒結鈦珠表面有35％的骨長入空間。
　　生物固定型關節假體(髖、膝關節)多數是采用多孔噴(鈦微球粉)涂表面，如美國Zimmer公司、Exactech公司，臺灣聯合公司等。除采用鈦合金珠粒(微球)等離子噴涂外，最近幾年，美國Encore Medical Corporation發明了3DMatrixTM多孔噴涂技術。這種技術不是采用球形微粒，而是采用一種隨機的三維異形微粒，微粒尺寸180μm-850μm，噴涂后表面孔徑尺寸250μm-450μm，空隙率可達61％。臨床研究表明：100μm-500μm的孔徑尺寸最適合骨生長。這種先進的多孔噴涂技術，使假體柄表面具有更好的生物活性，提供了更好的骨生長界面。
　　(5) 羥基磷灰石(HA)涂層技術用于鈦合金人工關節制造
　　采用等離子噴涂技術，將關節假體柄的一部分噴涂羥基磷灰石(HA)涂層，也是制造生物型人工關節的方法之一。從結構上講，人體骨本身就是成骨纖維與羥基磷灰石構成的天然復合材料。羥基磷灰石(Ca5(0H)(P04)3)含有能與人體組織發生鍵合的羥基，其化學成分、晶體結構與構成人體組織的羥基磷灰石佩晶極為相似，植入人體硬組織后與骨的鍵合很好，并能誘導骨組織長入微孔，且組織反應輕微。植入數月后，在緊密配合的界面一般能達到骨性結合，已成為生物活性陶瓷中的首選涂層材料。
　　HA涂層與鈦合金基體的結合強度是影響鈦合金種植體臨床使用效果的關鍵，只要涂層與基體間存在宏觀界面，兩者間的結合強度就不能令人滿意。一般要求涂層與鈦合金基體的結合強度不得低于40MPa，涂層厚度在150μm-200μm。涂層太厚，結合強度下降，涂層容易碎裂，因此，整個等離子噴涂工藝是由機器人操作的，以確保涂層厚度的均勻一致性。涂層包含微孔和較大的孔，并具有多孔性與隨機性，微孔的孔徑尺寸為3μm-5μm，較大孔的孔徑尺寸為50μm-100μm。孔徑的大小可在掃描電鏡下進行檢測，與此同時HA必須保持連續的純度(一般99.9％以上)和穩定的結晶結構。
　　國內外大多數關節產品制造商，均有采用這一技術制造的生物型鈦合金人工假體柄。
　　(6) Al2O3陶瓷涂層技術用于鈦合金人工關節制造
　　采用等離子噴涂技術將純度99.8％的α?Al2O3微粉噴涂在髖關節假體柄(柄體材料Ti6A14V)上，然后將其在液態C02中冷卻，在其界面形成γ-Al2O3，同時要求基體與A1203的結晶強度應不得小于20MPa，這也是制造生物型(非骨水泥)人工關節的方法之一。Al2O3陶瓷材料還被用來制造髖關節球頭及髖關節臼的內襯。經過對使用上述材料制造的假體的死者做尸體解剖所觀察到的以及其它方面的臨床檢測表明：A1203陶瓷材料的碎屑不會引起關節囊內滑膜組織的炎癥反應，也未見到滑膜增生和壞死現象。這種假體最適合年齡較小和手術后活動量較大的患者。由此可見，Al2O3陶瓷材料與人體組織生物相容性極好。Al2O3陶瓷材料還具有材料物理穩定性高、不發生生物性降解、材料表面具有極好親水性、能有效形成水分子膜以減少摩擦力、硬度及疲。勞強度高、抵抗磨損能力比CoCrMo合金高30倍-40倍。意大利LIMA骨科器材公司、法國SERF醫療技術公司的關節產品，均采用這種制造方法與工藝。我國北京航空材料研究院百慕航材公司的關節產品，也采用了這種工藝。
　　(7) 羥基磷灰石(HA)一玻璃一鈦復合材料用于人工關節制造
　　90年代末期，日本材料科學家丸野重雄等研制出用于制造人工關節的新型生物醫用鈦合金復合材料。這種材料是以Ti-6A1-4V合金為基體，選擇與基體材料結合性良好、具有穩定生化性能與安全性能、與HA基本不發生反應，并與HA粉末粘結性能優良的玻璃粉末(氧化鋁硼硅酸系玻璃，即Al2O3-B2O5-SiO2，體積百分比約為85%，其余為玻璃修飾氧化物Na2O、K2O、Li2O、ZrO2及TiO2，玻璃粉末平均直徑為17μm)，并將高純度HA粉末與之混合涂覆在鈦合金基體表面燒結而成含HA的玻璃鈦復合材料。該材料研究的另一個關鍵是燒結復合層的熱膨脹系數要低于鈦合金基體，只有這樣復合層與鈦合金基體的接觸界面因熱擴散反應，才能生成致密、穩定、且與基體材料結合緊密的復合層。
　　采用HA-G-Ti復合材料制成的人工髖關節假體柄經初步臨床驗證，證明是一種耐用性強、初期固定優良的廉價人工髖關節假體。復合層HA-G厚度可任意調節，生物相容性優良，HA-G復合層與基體結合性良好，尚未發現剝離、層裂。長期臨床效果有待于進一步觀察，因此這種材料也是一種極有市場發展潛力的生物醫用鈦合金材料[7]。
　　(8) 鈦及其合金表面陽極氧化著色處理用于骨科器材、整形外科及牙科。
　　對鈦及其合金表面進行陽極氧化著色處理，就其功能性而言，在表面鍍覆氧化膜提高了鈦合金基體在人體環境下的耐磨性、耐腐蝕性和循環疲勞抗力。另外，表面的氧化膜也很大程度上解決了金屬離子溶出問題，降低了細胞毒性，大大提高了植入體的生物相容性。對于其美觀性，隨著鈦合金植入體種類、規格的逐漸增多，也給臨床識別帶來了麻煩。表面氧化膜的發色作為鈦合金的特有屬性，可以用于識別手術中不同規格、類別的植入件，方便手術操作。另外，由于鈦的生物相容性耐腐蝕性好，質量輕，戴用舒適，鈦作為義齒(種植牙)和整形外科修復體在臨床的應用逐漸增多。人們對義齒的修復，已不僅強調咀嚼、發音和使用壽命等功能的恢復，對義齒美觀的要求日益提高，義齒的色彩美能給人以視覺美感享受[8]。而在整形外科修復方面，這種優勢就更加明顯了。
　　鈦表面氧化后顯示不同顏色的原因是由于金屬鈦表面形成的氧化膜的主要成分是氧化鈦，由這種成分構成的薄膜狀物質是透明的，能強烈反射和折射光線。將鈦在含氧氣氛中加熱，或對鈦實施陽極氧化等處理時，鈦表面就鍍上一層厚幾百A的氧化鈦膜。如果光照射到鍍覆了氧化膜的鈦上，氧化膜表面的反射光線就會與通過透明氧化膜金屬界面上反射的光線間發生干涉，從而顯出各種美麗的干涉色[9]。隨著氧化膜厚度的不同，鈦表面能夠顯現出黃色、綠色、金色和粉紅色等各種不同顏色。
　　鈦的氧化著色主要有陽極氧化法、大氣氧化法、化學處理法。此外還有等離子滲氮、氮離子注入、物理化學氣相沉積等方法。
　　與鈦的其他2種氧化著色法相比，陽極氧化法工藝簡單、表面著色的色調豐富，而且色調容易控制等，所以該氧化法是一種最具發展前景的氧化著色技術。
　　骨內固定植入物及器械通常采用陽極氧化法做表面著色處理，其顏色有：金黃色、古銅色、寶石藍、亮棕色、玫瑰紅及雅綠色等。
　　3、我國生物醫用鈦及其合金的研發售市場應用現狀及存在問題初步分析
　　3.1 生物醫用鈦及其合金的研發、市場應用現狀
　　自80年代中期以來，我國在醫療植入物方面，對鎳鈦形狀記憶合金的臨床與應用研究屬國際先進水平，上海鋼鐵研究總院、天津市冶金材料研究所及北京有色金屬研究總院稀有金屬研究所聯合當地的醫療專家和教授開發了很多醫療植入物產品。如：環抱鋼板、髕骨爪、騎縫釘、髓內釘、人工關節、牙弓絲等產品。但直到2000年，首例鎳鈦形狀記憶合金產品(來自蘭州西脈記憶合金股份公司)才獲得國家醫藥管理局準產注冊。
　　我國雖然鈦儲量豐富，但在醫用鈦方面卻相對滯后，無論在科研、設備、技術、工藝，還是在應用方面都無法與歐、美國家相比。1998年，天津市醫療器械工業公司骨科器械二廠首家取得國家醫藥管理局頒發的“鈦質接骨板”、“鈦質接骨螺釘”的試產注冊，成為國內第一家鈦植入物生產企業。該企業當年取得了很好的經濟效益。在以后幾年，鈦植入物像雨后春筍般被國內醫療器械生產企業所生產。目前國內應用較好的企業有常州武進醫療器械三廠、常州康輝醫療器械有限公司等。但在具體使用過程中也發生了很多問題，如植入物疲勞折斷、手術中塑形困難等，甚至發生了很多醫療糾紛，這當然與材料的選擇有很大關系。
　　1992年，我國制定了外科植入物用鈦及其合金加工材標準(GBl3810-1992)，但合金種類很少。1997年，如上標準進行了修訂，即GB/T13810?1997。但在實際使用中，外科植入物生產廠家并沒有完全搞清這種材料的性能，材料生產廠也沒有專用于外科植入物材料的內控標準，如國外外科植入物生產商通常采用的Ti-6Al-4VELI高損傷容限合金標準，目前國內還沒有推廣與應用。
　　在生物醫用鈦及其合金研制方面，北京有色金屬研究總院的王桂生教授、寶雞有色金屬加工廠的魏壽庸教授、西北有色金屬研究院生物材料研究中心的李佐臣教授等做了很多有益工作和探索。
　　在Ti-6Al-7Nb合金的研制方面，從1996年開始，由國家醫藥管理局立項，經北京有色金屬研究總院、寶雞有色金屬加工廠及其協作單位共同努力，先后完成實驗室研究及工業化試制。材料的化學成分、力學性能完全符合IS05832?11規定，金相組織相當于ETYC2(European Titanium Products Technical Committee)標準中的A4級，符合ISO5832?11對微觀結構的要求。該材料除小批試投外，1999年，寶雞有色金屬加工廠還向美國出口成品棒材十余t，創匯數十萬美金[10]。該材料2001年通過專家鑒定，此項目同時獲得2001年度中國有色金屬工業科學技術獎一等獎。
　　目前，該材料已準備納入國家標準骨接合用非有源外科植入物通用技術條件(GBl2417)修訂版中。外科植入物用Ti-6Al-7Nb棒材國家標準也在擬訂中。
　　3.2 存在問題
　　目前盡管很多植入物生產廠已將鈦合金材料植入物作為產品開發的重點，醫療用鈦數量在急劇攀升(相對自身而言)，但我國醫療用鈦方面仍存在很多誤區：植入物生產廠缺乏統一、高質量的內控用材標準，對材料牌號、性能缺乏科學認識，盲目認為凡是鈦的，就是好的，導致出現由于產品材料原因而造成多例植入物在體內發生斷裂失效，引起醫療糾紛的事件：
　　由于使用量的原因，材料生產廠考慮成本因素，只強調經濟效益，忽視了社會效益。國內材料生產廠尚未生產專供醫療使用的鈦產品，如歐美公司常用的Ti-6A1-4VELI合金，包括型材，如弧型截面板條、小直徑中空厚壁管材，關節鍛造厚板等；
　　由于各種原因，我國對醫療用鈦合金材料的研究與研制力度不夠。鈦合金植入物產晶的加工、表面處理工藝水平等都與世界先進國家相比差距很大；
　　雖然國務院設立了全國鈦工業管理辦公室，但由于醫療用材的特殊性，我國沒有建立專門負責或協調醫療用鈦方面研發、材料標準、材料質量控制、產品加工技術咨詢、交流的專門分支機構或行業協會，缺乏統一的行業管理。
　　4、展望
　　(1) 應注重研發低彈性模量，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，并具有優良生物相容性的生物醫用鈦合金材料；
　　(2) 組成合金的配伍元素應以注重無毒元素的添加為前提，如主要添加無毒的“生物”金屬元素，如Nb、Zr、Ta、Sn、Pt等；
　　(3) 應努力提高我國生物醫用鈦及其合金加工材的質量水平，生產廠家要注重并滿足醫療用鈦的市場需求，材料的質量控制標準要與國際接軌，并加強材料的標準化工作；
　　(4) 應加大材料的開發與研制力度，走材料研究院所或高等院校、材料生產廠及醫療研究機構、臨床醫學專家聯合開發道路，集材料研制、生物相容性試驗、臨床醫學驗證于一體，加速開發有廣闊應用前景的新型生物醫用鈦合金材料。
　　

作者：何寶明