1.發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

(1)世界情況

金屬材料作為生物醫(yī)用功能材料是材料科學(xué)的一個(gè)重要分支，用于人體植入物的歷史已有400余年，英國較早使用了純金板修補(bǔ)顱骨及鑲牙，其后陸續(xù)采用了銀、鐵片、鐵絲及鐵基合金的固定骨折關(guān)節(jié)件。1930年以后開始使用鈷基合金作為人體植入物，第二次世界大戰(zhàn)期間，隨著臨床治療的需求擴(kuò)大，許多國家使用了大量的不銹鋼作為人體植入物。隨著稀有金屬工業(yè)的發(fā)展，鈮、鋯、鈦開始用于臨床治療。

20世紀(jì)50年代，美國和英國首先將工業(yè)純鈦用于生物體，1950年英國使用鈦制作人工股骨頭，日本也由用鎳鉻合金改用鈦合金作人工骨關(guān)節(jié)。實(shí)踐證明，以前凡是使用不銹鋼和鈷基合金制成的各種類型的外科用植入物，均可用鈦來制作。日本用ST60(工業(yè)純鈦2級)、STA130(Ti-5A1-3Mn)鈦代替其他材料來制作補(bǔ)形器件，效果良好。他們還用鈦合金和 STA130鈦制造了髖關(guān)節(jié)。20世紀(jì)90年代，僅美國每年采用的金屬人體植入件達(dá)200萬件以上，其中髖關(guān)節(jié)、股骨件達(dá)5萬件以上。90年代中期，鈦工業(yè)迅速發(fā)展，為外科臨床治療提供了更多高質(zhì)量的鈦及鈦合金制品。研究證明，鈦及鈦合金具有優(yōu)異的生物相容性，大量臨床應(yīng)用實(shí)例證明，鈦及鈦合金作為人體植入件的效果是最好的，所以，治療范圍擴(kuò)大，用量顯著增加。目前世界上每年有大量的鈦及鈦合金制品被植入人體內(nèi)，其中約占80%是Ti-6A1-4V 合金。

(2)國內(nèi)情況

中國采用金屬材料用于外科植入物的工作起步也較早。1958年上海第一醫(yī)學(xué)院華山醫(yī)院用牙托粉和不銹鋼內(nèi)釘制成的人造股骨頭，在風(fēng)濕性髖關(guān)節(jié)強(qiáng)直的病人中使用1959~1960年使用鎳饹不銹鋼制成的人造股骨頭治療陳舊性股骨頸骨折和股骨頭壞死的病人，在臨床治療中發(fā)現(xiàn)用牙托粉和不銹鋼內(nèi)釘在結(jié)合處有折斷跡象。1972年起，開始采用國產(chǎn)鈦及鈦合金人造骨與關(guān)節(jié)用于臨床治療。北京有色金屬研究總院是國內(nèi)最早研究鈦人工關(guān)節(jié)的單位之一，于1973年生產(chǎn)了300個(gè)工業(yè)純鈦人工股骨和髖關(guān)節(jié)用于臨床。北京積水潭醫(yī)院、中國人民解放軍總醫(yī)院(301醫(yī)院)、上海人民醫(yī)院、上海華山醫(yī)院、天津醫(yī)院、沈陽骨科醫(yī)院、西安第二軍醫(yī)大學(xué)附屬醫(yī)院等十幾家醫(yī)院，先后進(jìn)行了鈦及鈦合金人造骨與關(guān)節(jié)的臨床應(yīng)用和研究。

1976年唐山地震后，寶雞有色金屬加工廠(現(xiàn)寶鈦集團(tuán))為救治傷員捐贈(zèng)了100 套鈦合金人工關(guān)節(jié)毛坯。其后相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)，寶鈦集團(tuán)一直是醫(yī)療器械原材料Ti-6A1-4V棒材料的國內(nèi)提供者。1985年以后，國產(chǎn)鈦及鈦合金加工材用于制造人體植入物的數(shù)量不斷增加，其中鈦形狀記憶合金的開發(fā)與應(yīng)用達(dá)到國際先進(jìn)水平。20世紀(jì)90年代中期，國產(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)等方面獲得廣泛應(yīng)用。1998年，天津市醫(yī)療器械工業(yè)公司骨科器械二廠首家取得國家醫(yī)藥管理局頒發(fā)的“鈦質(zhì)接骨板”和“鈦質(zhì)接骨螺釘”的試產(chǎn)注冊，成為鈦植入物生產(chǎn)企業(yè)。近5年又有天津市威曼生物材料有限公司、北京奧斯比利克新技術(shù)有限公司等一批企業(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)、頜骨以及心瓣膜、腎瓣膜、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，取得了非常好的效果，被醫(yī)學(xué)界給予了很高的評價(jià)。

2. 主要的醫(yī)用金屬材料

金屬材料用于人體硬組織修復(fù)和替換，或用于心血管和軟組織修復(fù)以及人工器官的制造，是一種與人的生命和健康密切相關(guān)的特殊功能材料。在生物系統(tǒng)中，金屬材料受到與其接觸的液體，有機(jī)分子、酶、自由基等影響，發(fā)生了腐蝕而造成金屬離子向周圍擴(kuò)散導(dǎo)致毒副作用；金屬材料自身的降解產(chǎn)物也會(huì)改變鄰近液體的pH值和組成，并使自身性質(zhì)蛻變而導(dǎo)致植人失效，這成為醫(yī)用金屬材料要解決的主要問題。一般金屬材料力學(xué)性能優(yōu)良、易加工，但其化學(xué)成分組成與人體組織成分相距甚遠(yuǎn)，很難與生物組織親合。目前，廣泛應(yīng)用的金屬材料如下：

① 醫(yī)用不銹鋼，屬于鐵基合金鋼，常見的有奧氏體不銹鋼，如:AISI316、AISI317:在臨床應(yīng)用中由于碳含量的影響導(dǎo)致發(fā)生晶間腐蝕，其后開發(fā)出超低碳不銹鋼，如AISI316L、AISI317L，仍然沒有解決在生理環(huán)境中的抗腐蝕問題，作為人體植入物的穩(wěn)定性不理想。

② 醫(yī)用鈷基合金，在生理環(huán)境中以其優(yōu)異的耐腐蝕性能、良好的綜合力學(xué)性能和生物相容性被臨床應(yīng)用，但是引起過敏反應(yīng)的問題卻一直沒有得到解決。

③ 醫(yī)用鈦及鈦合金，在醫(yī)療領(lǐng)域中已經(jīng)成為首選的優(yōu)質(zhì)金屬材料，廣泛應(yīng)用。

鈦及鈦合金具有優(yōu)異的使用特性，被世界公認(rèn)是醫(yī)療領(lǐng)域中優(yōu)異的金屬材料，同使用不銹鋼、鉆基合金等金屬材料相比較，具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢。

3. 鈦及鈦合金作為醫(yī)療器械材料的優(yōu)勢

①密度小。鈦及鈦合金的密度僅為不銹鋼的56%，植入人體內(nèi)大幅度減輕了人體的負(fù)荷量，作為醫(yī)療器械也減輕了醫(yī)務(wù)人員操作負(fù)荷。

② 強(qiáng)度高、韌性好、彈性模量低。人因外傷、腫瘤等因素導(dǎo)致骨、關(guān)節(jié)損害，為建立穩(wěn)固的骨支架，必須借助弧型板、螺釘、人造骨及關(guān)節(jié)等，這些植入物要長期留置于人體內(nèi)，會(huì)受到人體的彎曲、扭轉(zhuǎn)、擠壓、肌肉收縮力等作用，所以要求植入物具有高的強(qiáng)度和韌性。研究與臨床實(shí)例證明，在人體受力小的部位可以用純鈦，在人體受力大的部位可以用Ti-6A1-4V 合金，其室溫抗拉強(qiáng)度 TA2不小于440MPa，TC4不小于 895MPa，完全可以滿足人體植入物的要求。

鈦及鈦合金的彈性模量低，純鈦為1085MPa，僅為不銹鋼的53%，植入人體內(nèi)與人體自然骨更接近，有利于接骨，能夠減少骨頭對植入物的應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，因此鈦合金肘關(guān)節(jié)，踝關(guān)節(jié)在人體矯形手術(shù)中廣泛應(yīng)用。

④ 形狀記憶功能。可用做脊柱矯形棒、骨釘、內(nèi)固定器、內(nèi)支架等。

⑤ 超彈性，適于做矯形牙絲、縫合針等。

⑥ 鈦耐蝕(化學(xué)穩(wěn)定性好)，抗體液腐蝕，適于身體各部件使用。

⑦ 低X射線吸收率，醫(yī)檢時(shí)，X射線可視性好。

⑧無磁性，鈦及鈦合金是無磁性金屬，不受電磁場影響，不受雷電影響，這有利于植人物植人人體后的安全。

⑨無毒性，鈦及鈦合金的無毒性，作為植入物對人體無毒副作用。

⑩生物相容性好，鈦及鈦合金被稱為是生物惰性金屬材料，對于人體血液的浸泡環(huán)境具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，保證了與人體血液及細(xì)胞組織的相容性好，這是鈦及鈦合金應(yīng)用的基礎(chǔ)條件，作為植人物不產(chǎn)生人體污染，不會(huì)發(fā)生過敏反應(yīng)。