鈦合金在醫(yī)療方面的應(yīng)用.doc

材料與人類文明論文 題目： 鈦合金在醫(yī)療方面的應(yīng)用 班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 【摘要】鈦是非常常見(jiàn)的物質(zhì)，海綿鈦純度能達(dá)到99.9%。鈦合金產(chǎn)品的物理、化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，不會(huì)被人體吸收，與體液和藥品接觸也不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也不會(huì)電離，也不與人體的肌肉骨骼發(fā)生反應(yīng)，因而被人們稱為“親生物金屬”。因?yàn)殁伨哂小坝H生物”性，鈦在人體內(nèi)，能抵抗分泌物的腐蝕且無(wú)毒，對(duì)任何殺菌方法都適應(yīng)。因此被廣泛用于制醫(yī)療器械，制造人體髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、脅關(guān)節(jié)、頭蓋骨，主動(dòng)心瓣、骨骼固定夾?！娟P(guān)鍵詞】 材料 鈦合金 文明 生物醫(yī)療【正文】金屬材料是最早用于臨床醫(yī)學(xué)的生物醫(yī)用材料，目前用于外科植入物和矯形器械的金屬材料主要包括不銹鋼、鈷基合金和鈦合金三大系列，它們占整個(gè)生物材料產(chǎn)品市場(chǎng)份額的 40% 左右。其中，鈦合金已廣泛應(yīng)用于人體硬組織（包括人體軀干中所有的骨骼和牙齒）的缺損、創(chuàng)傷和疾病等修復(fù)、矯形及替代等治療。20 世紀(jì)中葉以來(lái)，以鈦合金為主的醫(yī)用金屬材料開(kāi)始在人體硬組織的外科植入及人體軟組織（包括心腦血管、外周血管及非血管如肝臟、膽道、尿道等）的介入治療方面顯示出獨(dú)特而神奇的療效，而鈦合金人工關(guān)節(jié)、牙種植體、血管內(nèi)支架和心臟瓣膜等具有中國(guó)醫(yī)療器械用鈦合金材料研發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用、及典型代表性的醫(yī)療器械產(chǎn)品的問(wèn)世，對(duì)醫(yī)學(xué)的發(fā)展具有劃時(shí)代的意義和革命性貢獻(xiàn)，使得臨床治療從初級(jí)的簡(jiǎn)單“修復(fù)、矯形”治療上升到更高層次的組織與器官的“替代式”治療，極大改善和提高了人們的生活質(zhì)量，克服了以往重大疾病只能單純依靠藥物治療的不足。1. 鈦合金材料在我國(guó)的發(fā)展歷史上世紀(jì)七十年代初，我國(guó)開(kāi)始采用了國(guó)產(chǎn)鈦及鈦合金制品，在北京多家醫(yī)院，先后采用鈦及鈦合金人造骨頭與關(guān)節(jié)用于臨床治療應(yīng)用和研究，制造的髖關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、下頜骨等用于臨床治療病人。同時(shí)，一些醫(yī)院與公司的模擬人體體液的浸泡實(shí)驗(yàn)，電化學(xué)陽(yáng)極化實(shí)驗(yàn)和腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線的測(cè)定，證明了鈦及鈦合金人造骨頭與關(guān)節(jié)用于人體具有優(yōu)異的耐腐蝕性，生物學(xué)反應(yīng)也很小，是一種理想的人體植入物，對(duì)植入人體骨頭與關(guān)節(jié)進(jìn)行力學(xué)性能也經(jīng)過(guò)測(cè)定，認(rèn)為鈦及鈦合金的強(qiáng)度滿足了人體植入物的要求。上世紀(jì)八十年代中期以后，我國(guó)鈦材用于制造人體植入物的數(shù)量增加，其中鈦形狀記憶合金的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。到了九十年代中期，國(guó)產(chǎn)鈦及鈦合金加工材，在矯形外科、神經(jīng)外科、心血管系統(tǒng)、口腔頜面外科、人體外培養(yǎng)機(jī)等方面廣泛應(yīng)用。近年，國(guó)內(nèi)一大批企業(yè)成為鈦及不銹鋼等人體植入物生產(chǎn)企業(yè)。采用鈦及鈦合金制造的股骨頭、髖關(guān)節(jié)、肱骨、顱骨、膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、掌指關(guān)節(jié)、頜骨以及心辨膜、腎辨膜、血管擴(kuò)張器、夾板、假體、緊固螺釘?shù)壬习俜N金屬件移植到人體中，取得了良好的效果，被醫(yī)學(xué)界給予了很高的評(píng)價(jià)。2. 生物醫(yī)用鈦合金材料的分類及特點(diǎn)生物醫(yī)用鈦合金材料是專指用于生物醫(yī)學(xué)工程的一類功能結(jié)構(gòu)材料，主要用于外科植入物和矯形器械等產(chǎn)品的生產(chǎn)和制造。按照外科植入物和矯形器械專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，鈦合金材料可歸入“外科植入物用材料”中“金屬材料”一類，而鈦合金材料在非有源外科植入物、有源外科植入物和矯形器械三大類醫(yī)療器械中，可充當(dāng)心血管、骨與關(guān)節(jié)、骨接合、脊柱、矯形器械、心臟起搏器與除顫器、耳蝸植入物、神經(jīng)刺激器和其他植入產(chǎn)品的原材料。生物醫(yī)用鈦合金按材料顯微組織類型可分為 型鈦合金（如純鈦系列） 、+型鈦合金（如 Ti6Al4V 等）和 型鈦合金（如Ti12Mo6Zr2Fe 等）以及 TiNi 形狀記憶鈦合金四大類，與醫(yī)用不銹鋼和鈷基合金相比，它們具有比重小、比強(qiáng)度高、彈性模量較低、耐腐蝕、易切削加工以及較好的生物相容性等特點(diǎn)。3. 生物醫(yī)用鈦合金材料的研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀生物醫(yī)用鈦及其合金的發(fā)展可分為三個(gè)時(shí)代：第一個(gè)時(shí)代以純鈦和Ti6A14V為代表，第二個(gè)時(shí)代是以T巧A125Fe和Ti6A17Nb為代表的新型d+B型合金，第三個(gè)時(shí)代則是一個(gè)開(kāi)發(fā)與研制更好生物相容性和更低彈性模量鈦合金的時(shí)代，其中以對(duì)B型鈦合金的研究最為廣泛11以純鈦和Ti6A14V為代表的第一代生物鈦合金工業(yè)純鈦是最早被應(yīng)用于這一領(lǐng)域的鈦合金。目前使用純鈦植入件的臨床經(jīng)驗(yàn)比較成熟，但商用純鈦并不能提供醫(yī)用負(fù)重材料所需要的綜合力學(xué)性能，如純鈦的強(qiáng)度較低，耐磨性較差等，限制了它的應(yīng)用。雖然冷加工可以增加純鈦的強(qiáng)度，但是也無(wú)法滿足實(shí)際需要。因此，人們開(kāi)始考慮使用鈦合金。Ti6A14V由于其優(yōu)異的生物相容性和良好的綜合力學(xué)性能成為第一種被引入生物材料領(lǐng)域的鈦合金，而且至今也是生物醫(yī)療器械產(chǎn)品中用量最大的鈦合金。12以Ti6A17Nb和TiSAl25Fe為代表的第二代新型Q+B型合金由于Ti6M4V中含有潛在毒性元素V，80年代中期兩種新型“q+B”型醫(yī)用鈦合金TiSAl25Fe和Ti6A17Nb在歐洲得到了發(fā)展，7 J。Ti6A17Nb在力學(xué)性能方面與公認(rèn)的“全能”Ti6A14V合金相當(dāng)，是一種安全且有發(fā)展?jié)摿Φ娜斯ど镝t(yī)用植入體材料，1989年由瑞士成功開(kāi)發(fā)。對(duì)于這種安全且有發(fā)展?jié)摿Φ纳镝t(yī)用鈦合金各國(guó)專家學(xué)者在不同方面展開(kāi)了深入研究。4.我國(guó)醫(yī)療器械用鈦合金材料的生產(chǎn)現(xiàn)狀我國(guó) 1992 年首次發(fā)布了第一個(gè)外科植入物用鈦及鈦合金加工材國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T13810-1992,這標(biāo)志著我國(guó)開(kāi)始了專業(yè)化生產(chǎn)針對(duì)醫(yī)療器械應(yīng)用的鈦合金原材料。但 20 年后的今天，該國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)雖經(jīng)兩次改版，我國(guó)目前只能生產(chǎn)純鈦（中國(guó)牌號(hào) TA1TA4，美國(guó)對(duì)應(yīng)牌號(hào) Gr1 Gr4） 、Ti6Al4V（中國(guó)牌號(hào) TC4，美國(guó)對(duì)應(yīng)牌號(hào) Gr5 或 Ti64） 、Ti6Al7Nb（中國(guó)牌號(hào) TC20）三大類鈦合金材料，尚沒(méi)有一個(gè) 型鈦合金納入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)， 如表 1 所示。截至目前，純鈦和 Ti6Al4V 鈦合金仍是國(guó)際上產(chǎn)銷量最大、應(yīng)用最廣的外科植入物用傳統(tǒng)主體材料，其銷售額約占全球整個(gè)生物醫(yī)用鈦合金市場(chǎng)的 80% 以上。我國(guó)目前生產(chǎn)的外科植入物用鈦及鈦合金加工材的品種涉及板材（厚度0.825mm） 、棒材和絲材（直徑 190mm） ，供應(yīng)狀態(tài)可為冷軋、熱加工及退火狀態(tài)。我國(guó)新國(guó)標(biāo)GB/T13810-2007 中規(guī)定的鈦合金加工材在化學(xué)成分、力學(xué)性能和顯微組織等指標(biāo)等同采用美國(guó)ASTM F136-02a 要求，但同時(shí)還增加了顯微組織評(píng)級(jí)、斷面收縮率和板、棒材超聲檢驗(yàn)等附加的技術(shù)要求。雖然我國(guó)國(guó)標(biāo)明確規(guī)定 Ti6Al4V 鈦合金顯微組織評(píng)級(jí)類型應(yīng)符合 A1A9 的 a+b 雙相組織，但國(guó)產(chǎn)鈦材供貨時(shí)多數(shù)為粗晶的 A3A5 級(jí)組織，且質(zhì)量穩(wěn)定性差 ； 而美國(guó)進(jìn)口鈦材顯微組織可達(dá)到細(xì)晶化的 A1A3 組織，其中直徑 15mm以下的小規(guī)格棒材可達(dá)到 A1 級(jí)（等軸化的 a、b相晶粒尺寸小于 10m） ，因而具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性、耐蝕性和機(jī)械切削性能，這造成我國(guó)人工關(guān)節(jié)、牙種植體、脊柱內(nèi)固定系統(tǒng)等高端醫(yī)療器械產(chǎn)品加工仍需大量進(jìn)口國(guó)外優(yōu)質(zhì)的 Ti6Al4V 鈦合金材料，而國(guó)產(chǎn)醫(yī)用鈦材主要滿足國(guó)內(nèi)中低端醫(yī)療器械產(chǎn)品如接骨板和接骨螺釘?shù)仁褂谩?008 年我國(guó)海綿鈦和鈦材產(chǎn)量已分別位居世界首位和第二位，鈦材消耗量已占全球第二位，成為繼俄羅斯、美國(guó)、日本之后的鈦工業(yè)大國(guó)，其中美、俄鈦材消耗主要針對(duì)國(guó)防軍用，而中、日主要針對(duì)工業(yè)民用，如圖 1 所示。目前我國(guó)從事各類鈦材生產(chǎn)的國(guó)有和民營(yíng)企業(yè)已超過(guò) 500 家，主要集中在陜西、長(zhǎng)三角、珠三角及東北等地區(qū)地，其中能夠批量專業(yè)生產(chǎn)醫(yī)用鈦材的骨干企業(yè)主要包括西北有色金屬研究院（集團(tuán)）所屬的西部超導(dǎo)材料科技有限公司、西安賽特金屬材料開(kāi)發(fā)有限公司、西部金屬材料股份有限公司，寶雞有色金屬加工廠及其所屬的寶雞鈦業(yè)股份有限公司，以及大連盛輝鈦業(yè)有限公司、寶雞鑫諾新金屬材料有限公司、寶雞英耐特醫(yī)用鈦有限公司、寶雞隆慶金屬材料制品廠、寶雞力興鈦業(yè)（集團(tuán)）有限公司等 10 余家。2010 年我國(guó)針對(duì)生物醫(yī)藥及器械領(lǐng)域生產(chǎn)銷售的醫(yī)用純鈦及 TC4 鈦合金材料已達(dá)到 1084 噸， 其中出口約占 20%， 如圖 2 所示。我國(guó)每年生產(chǎn)醫(yī)用 Ti6Al7Nb 鈦合金材料上百噸，但幾乎全部出口國(guó)外，國(guó)內(nèi)尚無(wú)實(shí)際應(yīng)用。5.結(jié)語(yǔ)盡管現(xiàn)代意義上的生物醫(yī)學(xué)材料起源于20世紀(jì)40年代，其學(xué)科也僅形成于20世紀(jì)80年代，但生物醫(yī)用材料涉及億萬(wàn)人的健康，是保障人類健康的必需品。生物醫(yī)用材料的應(yīng)用不僅挽救了數(shù)以千萬(wàn)計(jì)人的生命，使疾病得以早期發(fā)現(xiàn)和有效治疙并顯著降低了重大疾病的死亡率，同時(shí)，它對(duì)于改善人們的健康狀況和提高生活質(zhì)量，具有重要的民用價(jià)值和社會(huì)意義?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1 于振濤 , 周廉 , 王克光 . 生物醫(yī)用型 型鈦合金的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā) J，稀有金屬快報(bào) , No1,2004,5-102 郝玉琳，楊銳，納米高強(qiáng) Ti-Nb-Zr-Sn 合金 J, 金屬學(xué)報(bào)，2005，11（41） ： 11833 王向東，逯福生，賈翃等，2010 年的中國(guó)鈦工業(yè)，中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)鈦鋯鉿分會(huì) 2011 年會(huì)論文集，2011: 11-174 白明，日本的醫(yī)療器械，中國(guó)醫(yī)療器械信息 J，2009, 5(15): 69-715 周廉等編，中國(guó)生物醫(yī)用材料科學(xué)與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展戰(zhàn)略研究，化學(xué)工業(yè)出版社，2012 年6 于振濤 , 余森 , 張明華等， 外科植入物用新型醫(yī)用鈦合金材料設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀及進(jìn)展，中國(guó)材料進(jìn)展，29（12） ，2010:35-517 于振濤，麻西群，余森等，生物醫(yī)用鈦合金的微納化加工技術(shù)及最新進(jìn)展，中國(guó)有色金屬