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生物醫用鈦合金材料及應用

發(fā)布時(shí)間:2023-09-23 人氣:429

  生物醫用鈦合金材料是專(zhuān)指用于生物醫學(xué)工程的一類(lèi)功能結構材料,具體指是用于外科植入物和矯形器械產(chǎn)品的生產(chǎn)和制造。鈦合金加工材的生產(chǎn)制備涉及冶金,壓力加工,復合材料和化工等領(lǐng)域,是世界上公認的高技術(shù)產(chǎn)品。鈦及鈦合金開(kāi)始由航天、航空、國防軍工領(lǐng)域逐漸進(jìn)入到民用消費領(lǐng)域。諸如醫療衛生行業(yè)中的植入物,醫療器械;體育休閑業(yè)的鈦高爾夫球桿以及鈦眼鏡架、鈦手表、鈦自行車(chē)等產(chǎn)品,對鈦加工材的需求量在不斷增大。隨著(zhù)生物技術(shù)的蓬勃發(fā)展和重大突破,生物醫用金屬材料及其制品產(chǎn)業(yè)將發(fā)展成為世界經(jīng)濟的一個(gè)支柱產(chǎn)業(yè)。其中,鈦及其合金憑借著(zhù)質(zhì)輕,彈性模量低,無(wú)毒無(wú)磁,抗腐蝕,強度高、韌性好等優(yōu)良的綜合性能,于近年來(lái)的需求量也出現了快速穩步的增長(cháng)。同時(shí),隨著(zhù)鈦合金開(kāi)始進(jìn)入整形外科等領(lǐng)域,新的潛在市場(chǎng)需求出現,未來(lái)鈦合金市場(chǎng)將會(huì )出現更快速的增長(cháng)。

  1醫用鈦合金的研究進(jìn)展

  1.1醫用鈦合金的分類(lèi)

  鈦合金按材料顯微組織類(lèi)型可分為:α型,α+β型和β型鈦合金3類(lèi)。

  1.2醫用鈦合金的發(fā)展趨勢

  經(jīng)文獻調研發(fā)現,國內外的相關(guān)研究學(xué)者一致認為醫用鈦合金的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)標志性的階段,第一階段是以純鈦和Ti-6Al-4V合金為代表的;第二階段是以Ti-5A1-2.5Fe、Ti-6A1-7Nb為代表的新型α+β型合金;第三階段是主要開(kāi)發(fā)與研制具有更好生物相容性和更低彈性模量β-鈦合金的階段。理想的生物醫用鈦合金材料必須滿(mǎn)足有以下條件:良好的生物相容性、彈性模量低、密度低、防腐性能好、無(wú)毒、屈服強度高、疲勞壽命長(cháng)、室溫下有較大的塑性、易成形、易鑄造等。而目前一直廣泛應用于植入物材料的重要合金為T(mén)i-6A1-4V和Ti-6A1-4VELI。有文獻報道V元素可引起惡性組織反應,可能對人體產(chǎn)生毒副作用,Al則會(huì )引起骨質(zhì)疏松和精神紊亂等病癥;為了解決此問(wèn)題,當前生物材料學(xué)家便致力于探索與研究不含V、Al的新型生物醫用鈦合金材料,在此之前很有必要搞清楚什么樣的合金元素是適合添加的既無(wú)毒又符合生物相容性原理的。有研究發(fā)現含鉬,鈮,鉭,鋯等無(wú)毒元素的β鈦合金含有較高含量的β穩定元素,與α+β型鈦合金相比,具有較低的彈性模量(E=55~80GPa)以及更好的剪切性能和韌性,更適于作為植入物植入人體。

  2鈦合金的應用

  2.1鈦合金的醫用基礎

  使用鈦及鈦合金作為人體植入物的優(yōu)勢主要有:(1)密度(20℃)=4.5g/cm3,質(zhì)輕。植入人體內:減輕人體負荷量,作為醫療器械:減輕醫務(wù)人員操作負荷。(2)彈性模量低,純鈦為108500MPa,植入人體內:與人體自然骨更接近,利于接骨,減少骨頭對植入物的應力屏蔽效應。(3)無(wú)磁性,不受電磁場(chǎng)和雷雨天氣影響,利于使用后的人體安全。(4)無(wú)毒性,作為植入物對人體無(wú)毒副作用。(5)抗腐蝕性(生物惰性金屬材料),在人體血液的浸泡環(huán)境中有優(yōu)異的耐腐蝕性能,保證與人體血液及細胞組織的相容性好,作為植入物不產(chǎn)生人體污染,不會(huì )發(fā)生過(guò)敏反應,這是鈦及鈦合金應用的基礎條件。(6)強度高、韌性好,因外傷、腫瘤等因素導致骨、關(guān)節損害,為建立穩固的骨支架,必須借助弧型板、螺絲釘、人造骨及關(guān)節等,這些植入物要長(cháng)期留置于人體內,會(huì )受到人體的彎曲、扭轉、擠壓、肌肉收縮力等作用,要求植入物具有高的強度和韌性。

  2.2鈦合金的醫用領(lǐng)域及骨科領(lǐng)域

  市場(chǎng)情況隨著(zhù)鈦合金的開(kāi)發(fā)研制、鈦材品種的增多及價(jià)格的降低,鈦在民用工業(yè)中的應用成倍增加。CFDA將醫療器械按照其安全性由高至低分為三個(gè)等級,并分別由三級政府進(jìn)行監督管理,鈦及鈦合金材料的植入物屬于第三類(lèi)醫療器械,并為高值耗材類(lèi)。細分市場(chǎng)占比超過(guò)5%的子行業(yè)包括體外診斷,心臟,影像診斷,骨科,眼科,整形六大細分領(lǐng)域。其中體外診斷、骨科和心臟介入是國內增速最快的高值耗材。生物醫用鈦及其合金材料的應用經(jīng)歷了3個(gè)標志性階段:應用初期50年代初,首先在英國和美國,商業(yè)純鈦被用來(lái)制造接骨板、螺釘、髓內釘和髖關(guān)節。瑞士Mathys公司也采用Ti-6A1-7Nb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。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(zhuān)利材料ACTIPORE伽制造頸、腰椎間融合器用于骨科脊柱損傷的治療。新型β鈦合金可兼顧骨科,齒科和血管介入等多種用途的先進(jìn)材料骨科醫療器械行業(yè)占比全球醫療器械市場(chǎng)份額的9%,且仍處于快速增長(cháng)中。骨科醫療器械市場(chǎng)的主要劃分為四個(gè)領(lǐng)域創(chuàng )傷、關(guān)節、脊柱和其他。其中創(chuàng )傷類(lèi)是目前唯一沒(méi)有被外企占據主要市場(chǎng)份額的細分領(lǐng)域,主要原因是該領(lǐng)域產(chǎn)品技術(shù)含量較低,易仿制,手術(shù)難度較小,眾多二三級醫院都可進(jìn)行,外企無(wú)法全面覆蓋。創(chuàng )傷類(lèi)產(chǎn)品可以分為內固定和外固定器械,內固定創(chuàng )傷類(lèi)產(chǎn)品包括髓內釘、接骨板和螺釘等,2012年國內骨科市場(chǎng)中創(chuàng )傷占比34%,關(guān)節28%,脊柱20%,其他18%。大關(guān)節屬于高端醫療器械,技術(shù)壁壘較高,目前主流醫院對骨科材料的選用上都是以進(jìn)口為主,在技術(shù)、設計、研發(fā)、材料、表面處理工藝等方面,國產(chǎn)與進(jìn)口產(chǎn)品還存在差距。人工關(guān)節主要分為人工膝、髖、肘、肩、指、趾關(guān)節等,其中最主要的關(guān)節置換包括髖關(guān)節和膝關(guān)節,合計超過(guò)全球關(guān)節置換市場(chǎng)的95%。脊柱植入器械包括胸腰椎釘板系統,頸椎釘板系統和融合器系統等,其中椎間融合器系統主要用于椎間盤(pán)更換的治療,也是最重要的細分領(lǐng)域,約占整個(gè)脊柱植入市場(chǎng)的一半。

  3結語(yǔ)

  鈦合金的優(yōu)越性能成就了其在醫用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。鈦合金的材料設計與制備技術(shù)隨著(zhù)生物技術(shù)的突破和醫療應用的大量需求得到了快速發(fā)展。目前生產(chǎn)的醫用鈦合金主要為α+β型鈦合金。從制備工藝來(lái)看,TC4(TC4ELI)的生產(chǎn)目前占據主要市場(chǎng)份額。β型鈦合金由于在生物相容性和力學(xué)相容性方面具有一定的優(yōu)勢,因此已經(jīng)成為新型醫用鈦合金的研究熱點(diǎn),是在醫用植入物領(lǐng)域最具潛力的技術(shù)。今后鈦合金的生產(chǎn)技術(shù)應向著(zhù)低模量,高強度,具有良好生物相容性和力學(xué)相容性的方向發(fā)展。從發(fā)展趨勢來(lái)看,β型鈦合金將成為未來(lái)發(fā)展的方向和醫用鈦合金市場(chǎng)的主流。


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