医用钛合金在临床治疗中的应用

　　钛及钛合金密度较，弹性模量低 ， 可以避免局部骨吸收现象的产生 ，因而是十分优良的人工骨 、关节等硬组织替换材料 。人工髋关节假体的髋臼杯和骰骨柄通常用钛及钛合金来制造 ，见图 1［28］。 髋臼固定后 ，关节头可以在髋臼杯里自由活动 。人工膝关节也常采用钛及钛合金制备 ， 由胫骨部件 、 股骨部件和髌骨部件三部分组成 。

　　骨与关节替代物在人体内会受到人体的扭转曲、挤压 、肌肉收缩力等作用 ， 因此对植入物的强度和韧性要求很高 。 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 TC4 钛合金 。1985年，瑞士 Sulzer 公司采用 Ti-6Al- 7Nb 合金制造人工髋关节柄并得到应用 。2000 年，该公司的人工髋关节柄进入中国 ，每年的销售量达到几万套 。 目前我国人工关节加工所需的优质钛材仍依赖进口 ，而国内生产的医用钛材主要用来满足国内中低端医用产品如接骨螺钉和接骨板等使用 ［29］。2010 年我国生产销售的医用纯钛及 Ti-6Al- 4V 合金材料已达到 1 084t,其中出口约占 20% 。 我国每年生产医用 Ti-6Al- 7Nb合金材料上百吨 ，但几乎全部出口国外 ，国内尚无实际应用 。
2. 2 牙科植入物钛及钛合金被广泛用作牙齿修复材料 ，其优点主要有 ：①钛在酸性和碱性环境下溶化量少 ， 没有银合金存在的腐蚀 、 变色问题 ； ② 对人体有很好的安全性 ，不会出现镍合金引起的超敏反应 ；③ 纯钛的密度仅为 4. 50 g /cm3，与自然牙齿的密度接近 ，制作的牙床重量轻 ， 镶牙装着感好 ； ④纯钛的热传导率低 ，对牙髓无刺激性 ；⑤ 与传统的牙床材料相比，具有咀嚼时不改变食物味道的特性 。因此 ，钛及钛合金是迄今为止临床应用效果最佳的牙科材料 。表 3 列出了钛及钛合金在牙科中的主要用途 。 可以看出 ， 纯钛和 TC4 钛合金是牙科领域使用的主要材料。

　　表 2 我国外科植入物和矫形器械分类目录中涉及的钛合金典型产品

　　Table 2 Typical titanium alloy products involved in the contentsof surgical implants and orthopedic devices

　　表 3 钛及钛合金在牙科中的用途

　　Table 3 Use of titanium and titanium alloys in dentistry

　　瑞典开发的 Ti- 6Al- 7Nb 合金［8］ 以及日本开发的Ti-29Nb-13Ta-4. 6Zr 合金［30］ 对于牙科应用也具有很强的吸引力 。牙科领域所用钛材通常采用精密铸造成形 ，因此具有较高的强度 ，但延伸率较低 。为此 ，研究者们进行了大量提高其延伸率的研究 ， 主要方法有热处理 （如 α-β固溶处理 、β固溶处理等 ）、 破碎 α相结构以及热塑性变形及后热处理等 。2. 3 颅骨修复植入物开颅手术通常会造成颅骨缺损 ，目前临床上通常用钛网修复缺损的颅骨 。进行修复时 ，为了使修补体与患者原颅骨较好地嵌合 ，在术前或术中医生需根据患者缺损部位的大小和形状 ，在钛网上剪很多豁口 ，并在患者头上比较后反复修型 、剪缝 ，直到符合患者缺损部位的要求 。 这样不仅会增加钛钉的使用量 ，降低钛网的强度 ，而且增加了手术时间 。近年来 ，人们开发出一种 CT 三维重建软件系统 ，利用该系统可得到患者颅骨缺损部位的 CT 三维数据 ，并通过数字化钛网成形机制备出与患者颅骨缺损部位完全一致的钛网修复体 （如图 2）

　　［31］ 。临床应用表明，采用这种技术不仅大大提高了手术精度 ， 缩短了手术时间和钛钉使用量 ，降低了手术复杂度 ，而且减少了术后并发症 ， 提高了患者的生活质量 ［32］ 。

　　2. 4 心血管修复材料

　　钛及钛合金在人体心血管方面应用的实例有人造心脏瓣膜 、血液过滤器 、心脏起搏器和人工心脏泵等 。

　　其优点主要有 ：

　　① 强度高 ，化学稳定性好，生物相容性优良 ；

　　② 钛具有无磁性 ，在磁共振图谱MＲI中很少产生假象 ；

　　③ NiTi 记忆合金具有的弹性能力和形状恢复功能非常适合于医学方面的应用 NiTi 合金在低温 （零度附近 ）时呈马氏体态 ，很容易变成易于导入人体内的形状 ，当温度升高到体温时 会产生逆相变 ，从而恢复到原来设定的形状 ，并产生较大的回复力起到矫形及支撑作用 。近些年 ，NiTi 形状记忆合金在血管支架上的应用备受关注 。 然而，NiTi 合金在生理条件下可能溶出 Ni 离子 ，从而诱发毒性和炎性反。 为此 ，研究人员对该合金进行了大量表面改性研究 ，主要方法有表面惰性涂层化、表面氧化 、表面活性化和表面接枝大分子等 ［33］虽然立足点各不相同 ，但均可以有效抑制 Ni 离子的溶出，改善 NiTi 合金的抗腐蚀性和生物相容性 。

　　据有关资料 ［35］， 我国成人风湿性心脏病的发病率为 2. 34% ～2. 72% ， 按总人口推算成年风湿性心脏病患者约 190 万人 。 因瓣膜病变严重需要实施人造心脏瓣膜置换手术的病人约 25 万例 ，而实际人工心脏瓣膜用量只有 2. 5 万支 ，国产率在 30% 左右 起搏器的年需求量40 万台左右 ， 实用量为 2 万台，国产率仅为 1% ， 而冠脉支架产品的国产率较高，达到了 50%左右。

　　除以上应用外 ，钛及钛合金还是优良的人体骨接合材料和脊柱植入物材料 。典型的骨接合材料包括骨螺钉 、 接骨板 、上颌面植入体等 。骨螺钉可以单独用来固定断骨 ，也可以与接骨板或其他器件一起来固定断骨 。经过喷砂 、等离子喷涂 、蚀刻等处理的钛及钛合金能够促进表面类骨磷灰石的形成 ，可以提高骨结合强度 ， 缩短骨愈合过程 。同其他金属材料 （不锈钢 、 钴铬钼合金等 ）相比较 ， 使用钛及钛合金的优势主要4 点：

　　① 密度小 ， 比强度高，可大幅度减轻患者的负荷 ；

　　② 弹性模量低 ，与人体骨骼更匹配 ；

　　③ 无毒性 ，作为植入物对人体无毒副作用 ；

　　④生物相容性好 ，只进行一次手术即可 ，骨折愈合后不用二次手术去除 。

　　据报道 ［36］， 我国每年大概有 300 万人次做骨折手术 ， 其中 ，接骨板需求量为 200 万套左右 ， 人工关节约 25 万个 ，脊柱装置约 40 万个 ，市场规模约120 亿元 。 中国已经成为世界上临床手术量仅次于美国的第二大国家 。 随着我国人口老龄化的到来 ，未来 10 ～15 年骨科产业年均复合增长率约为 15% ～20% 。尽管我国目前已实现钛制骨螺钉 、 接骨板等常规产品国产化 ，但由于质量等问题仍需大量进口 。