生物醫(yī)用鈦合金
生物醫(yī)用材料是指和生物系統(tǒng)相作用,用以診斷、治療修復(fù)或替代機(jī)體中的組織、器官或增進(jìn)其功能的材料??煞譃獒t(yī)用金屬材料、醫(yī)用高分子材料、醫(yī)用陶瓷材料等,其中醫(yī)用金屬材料占有很大的比重,特別是骨科產(chǎn)品、心腦血管產(chǎn)品。
由于鈦與人體骨骼接近,對(duì)人體組織具有良好的生物相容性、無毒副作用,具有其他材料無法比擬的優(yōu)勢(shì),所以醫(yī)用鈦在醫(yī)療領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
生物醫(yī)用鈦合金的優(yōu)勢(shì)
生物相容性:與人體發(fā)生***小的生物學(xué)反應(yīng),無毒無磁,作為人體植入物,對(duì)人體無毒副作用。
力學(xué)性能:高強(qiáng)度、低彈性模量,既滿足力學(xué)要求,又與人體自然骨彈性模量相近,可減少應(yīng)力屏蔽效應(yīng),更有利于人骨的生長(zhǎng)愈合。
耐腐蝕性能:鈦合金為生物惰性材料,在人體生理環(huán)境下有有意的抗腐蝕性能,對(duì)人體生理環(huán)境不產(chǎn)生污染。
質(zhì)輕:一般鈦合金的密度僅為不銹鋼的56%,植入人體后大幅度減輕人體的負(fù)荷量。
生物醫(yī)用鈦合金發(fā)展歷程
金屬材料是人類生物醫(yī)學(xué)發(fā)展史上***早用于創(chuàng)傷修復(fù)和矯形治療的傳統(tǒng)材料。從20世紀(jì)30年代起,CoCr合金、不銹鋼曾先后被用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域并成為目前傳統(tǒng)的醫(yī)用金屬材料;20世紀(jì) 40 年代,性能更優(yōu)異的生物醫(yī)用鈦得到研究并證明了其臨床可行性。生物醫(yī)用鈦合金經(jīng)歷了純鈦與Ti-6Al-4V鈦合金、改良鈦合金、低模量β鈦合金三個(gè)歷程:
1950-1980年:純鈦首次用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域,證實(shí)了良好的生物相容性。Ti6Al4V廣泛用于外科修復(fù)或替換材料。
1980-1990年:證實(shí)V、Al是對(duì)生物體有毒副作用的元素;開發(fā)出以Nb、Fe替代V的第二代改良新型醫(yī)用鈦合金。
1990年-至今:90年代初期開發(fā)******個(gè)具有更好生物相容性和更低彈性模量的β鈦合金Ti13Nb13Zr,從此開啟了具有優(yōu)異性能的生物醫(yī)用β鈦合金的開發(fā)和使用。
國內(nèi)研究現(xiàn)狀及問題
我國從20世紀(jì)70年代開始醫(yī)用鈦合金材料的研究和應(yīng)用,經(jīng)過前期對(duì)Ti-6Al-4V 、Ti-6Al-7Nb、Ti-5Al-2.5Fe醫(yī)用鈦合金的仿制研究,早在1999年西北有色金屬研究院在國內(nèi)首次研制出******個(gè)具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)近α型新型醫(yī)用鈦合金TAMZ(Ti-2.5Al-2.5Mo-2.5Zr),綜合性能與Ti-6Al-7Nb相當(dāng)。
在2005年,西北有色院又研制出兩種新型高強(qiáng)低模量近β型醫(yī)用鈦合金TiZrMoNb(TLE)和Ti Zr Sn Mo Nb (TLM)。中科院金屬所也開發(fā)出新型低模量近β型鈦合金Ti -24Nb-4Zr-7.6Sn(Ti 2448)。另外,北京有色院、哈工大、東北大學(xué)、天津大學(xué)等單位也在開展新型β型鈦合金的應(yīng)用及相關(guān)基礎(chǔ)研究。
基于我國國情,擁有約13億人口和6000萬殘疾人的大國,而且我國正步入老齡化社會(huì),為此要提供大量?jī)?yōu)質(zhì)的生物醫(yī)用材料及器件以供臨床診治的需要。而我國在醫(yī)用種植體方面的研究起步較晚,目前人工關(guān)節(jié)近一半需要進(jìn)口,而牙科種植體以及一些高端植入物更是90%以上使用進(jìn)口產(chǎn)品,價(jià)格******昂貴,普通工薪階層的百姓難以承受。因此,開發(fā)無毒性、低彈性模量且價(jià)格低廉的新型植入用鈦合金是一個(gè)值得研究的課題。
生物醫(yī)用鈦合金分類及性能
生物醫(yī)用鈦合金按材料顯微組織類型可分為α型、α+β型和β型鈦合金三類。目前臨床廣泛使用的材料仍以純鈦和Ti-6Al-4V合金為主,但β型鈦合金由于更低的彈性模量和更好的生物相容性已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),是***有應(yīng)用前景的生物醫(yī)用鈦合金。
表1是各種生物醫(yī)用鈦合金的力學(xué)性能。圖1表明各種生物醫(yī)用合金的彈性模量和人體骨彈性模量的比較??梢钥闯? 第二代生物醫(yī)用鈦合金彈性模量明顯比******代低 ,合金設(shè)計(jì)時(shí)Nb含量有增加的趨勢(shì)且都是β型鈦合金, Ti-35Nb-7Zr-5Ta 和Ti-29Nb-13Ta-7.1Zr合金具有***低的彈性模量55MPa, 與人體骨的彈性模量***接近。因此開發(fā)較低彈性模量的生物醫(yī)用β型鈦合金已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前國內(nèi)外研究***為廣泛的生物醫(yī)用超彈性β鈦合金是Ti-Nb系超彈性β鈦合
表1 生物醫(yī)用鈦合金的力學(xué)性能
圖1 生物醫(yī)用合金的彈性模量
常用生物醫(yī)用β鈦合金
近年來新型β型鈦合金的研發(fā)主要Ti-Nb系、Ti-Mo系、Ti-Zr系和Ti-Ta系合金。(對(duì)人體有害的V、Al、Ni 、Cr等元素逐步被生物相容性好的Nb、Zr、Ta、Sn、Pt、Mo等無毒元素取代)已研制成功的部分醫(yī)用低模量的β型鈦合金如下圖所示。與其他體系β鈦合金相比,Ti-Nb系合金的彈性模量較低,更接近人骨的彈性模量,并且不含有毒元素Al和V,適合作為醫(yī)用金屬材料,目前對(duì)其研究開展較多。
應(yīng)用舉例
生物醫(yī)用鈦合金優(yōu)異生物醫(yī)用特性,使其廣泛的應(yīng)用如下
公司由一群才華橫溢經(jīng)驗(yàn)豐富的熟練操作車、銑、磨、電火花、線切割、數(shù)控設(shè)備操作人員和經(jīng)驗(yàn)豐富的模具設(shè)計(jì)、裝配高級(jí)工程師組成的員工隊(duì)伍,全面實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(PRE/UG./SLIDWORK)及計(jì)算機(jī)制造加工系統(tǒng)(CAD/CAE/CAM),運(yùn)用******的制造工藝和完善的質(zhì)量控制流程,北京鋁合金零件加工,北京軍工零件加工產(chǎn)品質(zhì)量嚴(yán)格按照ISO9000質(zhì)量體系標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。
生物醫(yī)用鈦合金未來發(fā)展方向
近年來,鈦合金在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用呈快速發(fā)展的趨勢(shì)。這也將對(duì)鈦合金的性能提出更高的要求,結(jié)合國內(nèi)外當(dāng)前的研究現(xiàn)狀,得出生物醫(yī)用鈦合金未來發(fā)展方向如下:
相關(guān)企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)
雖然我國生物醫(yī)用鈦合金材料的研究工作已取得了顯著的進(jìn)展,但與歐美等發(fā)達(dá)******相比,在鈦合金植入物產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、加工、裝備、表面處理、工藝水平等方面仍存在很大差距。以下是部分國內(nèi)外生物醫(yī)用鈦合金相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)及研究機(jī)構(gòu):
國外企業(yè)及研究機(jī)構(gòu) | 國內(nèi)企業(yè)及研究機(jī)構(gòu) | |
STRYKER(美國) | 寶鈦集團(tuán) | |
Zimmer(美國) | 英耐特醫(yī)用鈦有限公司 | |
德國克魯伯 | 百幕航材 | |
Terumo(日本) | 西北有色金屬研究院 | |
Sulzer(瑞士) | 北京有色金屬研究總院 | |
…… | 沈陽金屬研究所 |
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