关键词：钛及钛合金加工材、人体植入物、生产、标准、应用。
一、前言
金属材料作为生物医用功能材料是材料科学的一个重要分支，用于人体植入物的历史已有400余年。英国较早的使用了纯金板修补颅骨、镶牙，其后陆续使用了银、铁片、铁丝及铁基合金的固定骨折关节件。1930年以后，英国、美国使用钴基合金作为人体植入物。第二次世界大战期间，英国、美国和日本等国家使用了大量的不锈钢作为人体植入物。20世纪五十年代初，随着稀有金属工业的发展，加工态和铸态的钛、铌、锆作为人体植入物用于临床实验。
1958年，上海第一医学院华山医院用牙托粉和不锈钢髓内钉制成的人造股骨头治疗风湿髋关节强直病人，1959—1960年，使用镍铬不锈钢制造的人造股骨头治疗陈旧性股骨胫骨折和股骨头坏死的病人。在临床治疗中发现牙托粉和不锈钢髓内钉在结合处有折断迹象。1972年起，开始采用了国产钛及钛合金制品，北京积水潭医院、上海第六人民医院、天津医院、中国人民解放军总医院、西安第二军医大附属医院、沈阳骨科医院等二十多家医院，先后采用钛及钛合金人造骨头与关节用于临床治疗应用和研究，制造的髋关节（包括股骨头）、肘关节、掌指关节、指间关节、人造椎体和下颌骨等用于临床治疗病人，经过三年多的跟踪观察认为效果满意，指出在人体承受力小的地方换接骨可以使用纯钛，在人体下肢因为负重大，关节活动量大，采用Ti-6Al-4V合金是最理想的。同时，华山医院与上海冶金研究所的模拟人体体液的浸泡实验，电化学阳极化实验和腐蚀动力学曲线的测定，证明了钛及钛合金人造骨头与关节用于人体具有优异的耐腐蚀性，生物学反应也很小，是一种理想的人体植入物。复旦大学生物系人类生理学研究组与上海第六人民医院对植入人体骨头与关节进行力学性能测定，认为钛及钛合金的强度满足了人体植入物的要求。
世界各国的相关研究和大量的临床治疗实例，从深度和广度上认可钛及钛合金是迄今为止最理想的人体植入物金属材料，被当今医疗外科业列为续不锈钢、钴基合金之后崛起的第三代金属。
20世纪八十年代中期以后，国产钛及钛合金加工材用于制造人体植入物的数量增加，其中钛形状记忆合金的开发与应用达到国际先进水平。到了九十年代中期，国产钛及钛合金加工材，在矫形外科、神经外科、心血管系统、口腔颌面外科、人体外培养机等方面广泛应用。1998年，天津市医疗器械工业公司骨科器械二厂首家取得国家医药管理局颁发的〈钛质接骨板〉和〈钛质接骨螺钉〉的试产注册，成为钛植入物生产企业。近5年，又有天津市威曼生物材料有限公司、北京奥斯比利克新技术有限公司等一批企业成为钛及不锈钢等人体植入物生产企业。采用钛及钛合金制造的股骨头、髋关节、肱骨、颅骨、膝关节、肘关节、肩关节、掌指关节、颌骨以及心辨膜、肾辨膜、血管扩张器、夹板、假体、紧固螺钉等上百种金属件移植到人体中，取得了良好的效果，被医学界给予了很高的评价。
我公司创业开始，把生产医用型钛及钛合金加工材定位为主导产品，从技术装备上努力向专业化生产方向发展。为了满足顾客对医用型钛材产品质量的要求，公司强化了质量控制点工作，不断提升管理水平。于2004年9月1日审核通过了ISO9001：2000标准认证，颁发《质量管理体系证证书》，2005年12月9日审核通过并颁发了《全国工业产品生产许可证》。“两证”的运行使公司向顾客和第三方证实了公司满足要求的实力水平。
二、材料生产
医用型钛及钛合金的生产，其冶炼与加工具有工艺流程长、设备多、工艺复杂、技术难度大、产品批量小、品种规格多、质量要求高和成本高于一般常用钛及钛合金材料等特点，加工材产品大类品种有锻件、异型锻件、饼、环、棒、管、板、带、箔、丝等。
生物医用型钛及钛合金加工材的专业化生产设计实施的生产工艺流程一般如下图所示：
坯料 检验 加热 变形加工 热处理 精整 检验 成品发货
钛锭 化学成分 重油炉 锻造 退火 规园 成品检验
坯料 反射炉 轧制 消除应力退火 矫直
电阻炉 拔制 机械加工
挤压 表面检查
不合格品处置
三、执行标准
为了保障人体植入物用钛及钛合金材料的质量，确保患者人身的安全，在研究大量临床应用的基础上，国外建立了一系列外科植入物用钛及钛合金加工材的标准。20世纪九十年代初，美国、英国的标准经过完善和修订，纳入国际标准化组织（ISO）《外科植入物—金属材料—纯钛材加工》和《外科植入物—金属材料—Ti-6Al-4V合金加工材》。
中国在这方面的工作起步较晚。1989年，由宝鸡有色金属加工厂负责，上海手术器械六厂和天津医疗器械检测中心为协作单位，在广泛收集国外标准的基础上，编制了中国第一个标准《外科植入物用TC4钛合金加工材》。于1990年11月通过专家审核，正式实施标准号为GB/T13810-1992，经过完善和修订，成为现在实施的标准《外科植入物用钛及钛合金加工材》，标准号为GB/T13810-1997。其技术内容上等效美国ASTM、英国BS和ISO的相关标准。规定的检测项目有钛及钛合金的化学成分、力学性能、工艺性能、尺寸偏差、显微组织和质量保证等基本一致。
公司目前按以下标准组织生产 表1
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标准名称 |
标准号 |
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外科植入物用钛及钛合金加工材 |
GB/T13810-1997 等效ISO5832-2-1993 ISO5832-3-1996 |
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出口用钛及钛合金棒材 |
N/BS INT-2005-B 对应ASTM B348-2000 |
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出口用6Al-4V ELL钛合金棒材 |
N/BS INT-2005-A 对应ASTM F136-98 |
四、应用基础
人体植入物是与人的生命和健康密切相关的特殊的功能材料。同其它金属材料相比较，使用钛及钛合金的优势主要有六点：
1 质轻
钛及钛合金的密度，20℃时为4.5克/厘米3，仅为不锈钢的56%。植入人体内大幅度减轻了人体的负荷量，作为医疗器械也减轻了医务人员操作负荷。
2 弹性模量低
钛及钛合金的弹性模量低，纯钛为10850公斤力/毫米2 ，仅为不锈钢的53%，
植入人体内与人体自然骨更接近，有利于接骨，能够减少骨头对植入物的应力屏蔽效应。
3 无磁性
钛及钛合金是无磁性金属，不受电磁场和雷雨天气的影响，这有利于使用后的人体安全。
4 无毒性
钛及钛合金的无毒性，作为植入物对人体无毒副作用。.
5 抗腐蚀性
钛及钛合金被称为是生物惰性金属材料，对人体血液的浸泡环境中具有优异的耐腐蚀性能，保证了与人体血液及细胞组织的相容性好，作为植入物不产生人体污染，不会发生过敏反应，这是钛及钛合金应用的基础条件。
在人体植入物用钛及钛合金表面进行阳极氧化着色处理，提高了植入物件在人体条件下的耐磨性、耐蚀性和循环疲劳抗力，也在很大程度上解决了金属离子溶出问题，提高了植入物的相溶性。同时也可以作为不同规格制品的标识，方便了手术操作。
6 强度高、韧性好
因外伤、肿瘤等因素导致骨、关节损害，为建立稳固的骨支架，必须借助弧型板、螺丝钉、人造骨及关节等，这些植入物要长期留置于人体内，会受到人体的弯曲、扭转、挤压、肌肉收缩力等作用，要求植入物具有高的强度和韧性。研究与临床实例证明，在人体受力小的部位可以用纯钛，在人体受力大的部位可以用Ti-6Al-4V合金，完全可以满足人体植入物的要求。
钛及钛合金具有优异的使用特性，被世界公认是生物医疗领域中优异的金属材料，同使用不锈钢、钴基合金等金属材料相比较，具有较大的应用优势，发展空间很大。依据对采用钛及钛合金制造人体植入物厂家的调查，在表2和表3中列出了钛及钛合金材料制造的外科植入物名称。
某公司生产医用植入物钛及钛合金制品 表2
某公司生产医用植入物钛及钛合金制品 表3
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序 号 |
制 品 名 称 |
序 号 |
制 品 名 称 |
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1 |
股骨假肢 |
8 |
股骨上端代替因截骨而缺损的 |
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2 |
股骨柄系列 |
9 |
股骨轴心式膝关节假体 |
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3 |
全髋金属杯 |
10 |
胫骨轴心式膝关节假体 |
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4 |
全髋金属翼杯 |
11 |
铰链式膝关节假体 |
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5 |
半髋双动臼杯系统 |
12 |
股胫骨铰链式膝关节假体 |
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6 |
全髋臼杯系统 |
13 |
表面式膝关节假体 |
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7 |
防脱位全髋臼系列 |
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五、研究开发
不断有报导提出，金属材料受到与其接触的液体、有机分子、酶、自由基、细胞等影响，发生了腐蚀，使金属离子向周围扩散而导致毒性作用，同时金属材料自身的降解产物也会改变邻近液体的PH值与成分组成，进而导致植入物性质蜕变并失效。这些问题是必须要解决的。
研究和临床试用结果表明，医用型钛及钛合金材料作为人体植入物解决了上述问题，得到推广使用，据报导，世界上每年有近千吨医用型钛及钛合金材料用于制造人体植入物，其中80%是Ti-6Al-4V钛合金。
随着医用型Ti-6Al-4V钛合金应用发展，开发出具有高断裂韧性，低裂纹扩展的低间隙元素型Ti-6Al-4V ELI钛合金。但是，医学界专家又提出担心铝、钒金属元素对人体有潜在的毒性危害作用。针对这种可能危害作用，材料学界专家积极开发无铝、钒的新型钛合金，如：Ti-13Nb-13Zr钛合金（ASTM F1713-1996）、Ti-12Nb-6Zr-2Fe钛合金（ASTM F1813-1996）、Ti-5Al-2.5Fe钛合金、Ti-6Al-7Nb钛合金等，并在临床使用，其中Ti-5Al-2.5Fe钛合金和Ti-6Al-7Nb钛合金的应用更为成功。
相关的研究和临床使用，从深度和广度上认可了使用钛及钛合金作为人体植入物。同时还未证明Ti-6Al-4V钛合金制品在人体中的危害作用，从综合性能上、良好的变形加工上与价格定位上看，仍然是至今为止最理想的人体植入物金属材料。
六、市场趋势
据有关资料介绍，金属材料作为人体植入物的用量逐渐增加。1990年以后，仅美国每年用于人体植入金属件达到200万件以上，其中髓关节、股骨件占2.5%；欧洲市场对骨折外固定产品和内固定产品的供需两旺，以法国、德国、意大利和英国为主，2004年市场价值达到2.8亿美金，其中内固定产品占85.7%。近10年来，生物医用材料及制品的市场增长率一直保持在20%-25%，预测未来10年-15年，包括生物医用材料在内的医疗器械产业化发展快，将达到规模经济，成为世界经济的支柱产业。
医用钛及钛合金材料的优势已经被医学界认可，也被越来越多的患者接受，考虑到战争的因素、运动创伤的因素和人民生活水平提高的因素等，首选钛及钛合金作为人体植入物的增长空间很大，势必成为钛应用发展中新的经济增长点。
七、结束语
国产医用型钛及钛合金材料，在研究、生产工艺技术、产品标准、市场开发和推广使用等方面，近10年来有了较大的进展。作为人体植入物的创造业逐渐成为用钛材的支柱产业。该行业的特点是需求产品牌号少，标准严格，品种规格多，一次性订货量小，产品质量要求高，成本高，产品市场大。所以，关注和推动该行业的发展，对造福于人民和促进国产钛材生产具有重大意义。
