摘  要：本文簡介了醫(yī)用鈦及鈦合金加工材的歷史，標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：鈦及鈦合金加工材、人體植入物、生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用。

　　一、前言

　　金屬材料作為生物醫(yī)用功能材料是材料科學(xué)的一個重要分支，用于人體植入物的歷史已有400余年。英國較早的使用了純金板修補(bǔ)顱骨、鑲牙，其后陸續(xù)使用了銀、鐵片、鐵絲及鐵基合金的固定骨折關(guān)節(jié)件。1930年以后，英國、美國使用鈷基合金作為人體植入物。第二次世界大戰(zhàn)期間，英國、美國和日本等國家使用了大量的不銹鋼作為人體植入物。20世紀(jì)五十年代初，隨著稀有金屬工業(yè)的發(fā)展，加工態(tài)和鑄態(tài)的鈦、鈮、鋯作為人體植入物用于臨床實(shí)驗(yàn)。

　　1958年，上海第一醫(yī)學(xué)院華山醫(yī)院用牙托粉和不銹鋼髓內(nèi)釘制成的人造股骨頭治療風(fēng)濕髖關(guān)節(jié)強(qiáng)直病人，1959—1960年，使用鎳鉻不銹鋼制造的人造股骨頭治療陳舊性股骨脛骨折和股骨頭壞死的病人。在臨床治療中發(fā)現(xiàn)牙托粉和不銹鋼髓內(nèi)釘在結(jié)合處有折斷跡象。1972年起，開始采用了國產(chǎn)鈦及鈦合金制品，北京積水潭醫(yī)院、上海第六人民醫(yī)院、天津醫(yī)院、中國人民解放軍總醫(yī)院、西安第二軍醫(yī)大附屬醫(yī)院、沈陽骨科醫(yī)院等二十多家醫(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)（包括股骨頭）、肘關(guān)節(jié)、掌指關(guān)節(jié)、指間關(guān)節(jié)、人造椎體和下頜骨等用于臨床治療病人，經(jīng)過三年多的跟蹤觀察認(rèn)為效果滿意，指出在人體承受力小的地方換接骨可以使用純鈦，在人體下肢因?yàn)樨?fù)重大，關(guān)節(jié)活動量大，采用Ti-6Al-4V合金是最理想的。同時，華山醫(yī)院與上海冶金研究所的模擬人體體液的浸泡實(shí)驗(yàn)，電化學(xué)陽極化實(shí)驗(yàn)和腐蝕動力學(xué)曲線的測定，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。復(fù)旦大學(xué)生物系人類生理學(xué)研究組與上海第六人民醫(yī)院對植入人體骨頭與關(guān)節(jié)進(jìn)行力學(xué)性能測定，認(rèn)為鈦及鈦合金的強(qiáng)度滿足了人體植入物的要求。

　　世界各國的相關(guān)研究和大量的臨床治療實(shí)例，從深度和廣度上認(rèn)可鈦及鈦合金是迄今為止最理想的人體植入物金屬材料，被當(dāng)今醫(yī)療外科業(yè)列為續(xù)不銹鋼、鈷基合金之后崛起的第三代金屬。

　　20世紀(jì)八十年代中期以后，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。到了九十年代中期，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)界給予了很高的評價。

　　我公司創(chuàng)業(yè)開始，把生產(chǎn)醫(yī)用型鈦及鈦合金加工材定位為主導(dǎo)產(chǎn)品，從技術(shù)裝備上努力向?qū)I(yè)化生產(chǎn)方向發(fā)展。為了滿足顧客對醫(yī)用型鈦材產(chǎn)品質(zhì)量的要求，公司強(qiáng)化了質(zhì)量控制點(diǎn)工作，不斷提升管理水平。于2004年9月1日審核通過了ISO9001：2000標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，頒發(fā)《質(zhì)量管理體系證證書》，2005年12月9日審核通過并頒發(fā)了《全國工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)許可證》。“兩證”的運(yùn)行使公司向顧客和第三方證實(shí)了公司滿足要求的實(shí)力水平。

　　二、材料生產(chǎn)

　　醫(yī)用型鈦及鈦合金的生產(chǎn)，其冶煉與加工具有工藝流程長、設(shè)備多、工藝復(fù)雜、技術(shù)難度大、產(chǎn)品批量小、品種規(guī)格多、質(zhì)量要求高和成本高于一般常用鈦及鈦合金材料等特點(diǎn)，加工材產(chǎn)品大類品種有鍛件、異型鍛件、餅、環(huán)、棒、管、板、帶、箔、絲等。

　　生物醫(yī)用型鈦及鈦合金加工材的專業(yè)化生產(chǎn)設(shè)計(jì)實(shí)施的生產(chǎn)工藝流程一般如下圖所示：

　　坯料    檢驗(yàn)    加熱    變形加工    熱處理    精整    檢驗(yàn)   成品發(fā)貨

　　鈦錠  化學(xué)成分  重油爐   鍛造        退火     規(guī)園    成品檢驗(yàn)

　　坯料            反射爐   軋制    消除應(yīng)力退火 矯直

　　電阻爐   拔制                 機(jī)械加工

　　擠壓                 表面檢查

　　不合格品處置

　　三、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

　　為了保障人體植入物用鈦及鈦合金材料的質(zhì)量，確保患者人身的安全，在研究大量臨床應(yīng)用的基礎(chǔ)上，國外建立了一系列外科植入物用鈦及鈦合金加工材的標(biāo)準(zhǔn)。20世紀(jì)九十年代初，美國、英國的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過完善和修訂，納入國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）《外科植入物—金屬材料—純鈦材加工》和《外科植入物—金屬材料—Ti-6Al-4V合金加工材》。

　　中國在這方面的工作起步較晚。1989年，由寶雞有色金屬加工廠負(fù)責(zé)，上海手術(shù)器械六廠和天津醫(yī)療器械檢測中心為協(xié)作單位，在廣泛收集國外標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，編制了中國第一個標(biāo)準(zhǔn)《外科植入物用TC4鈦合金加工材》。于1990年11月通過專家審核，正式實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)號為GB/T13810-1992，經(jīng)過完善和修訂，成為現(xiàn)在實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)《外科植入物用鈦及鈦合金加工材》，標(biāo)準(zhǔn)號為GB/T13810-1997。其技術(shù)內(nèi)容上等效美國ASTM、英國BS和ISO的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)定的檢測項(xiàng)目有鈦及鈦合金的化學(xué)成分、力學(xué)性能、工藝性能、尺寸偏差、顯微組織和質(zhì)量保證等基本一致。

　　公司目前按以下標(biāo)準(zhǔn)組織生產(chǎn)                                                表1

標(biāo)準(zhǔn)名稱	標(biāo)準(zhǔn)號
外科植入物用鈦及鈦合金加工材	GB/T13810-1997 等效ISO5832-2-1993 ISO5832-3-1996
出口用鈦及鈦合金棒材	N/BS INT-2005-B 對應(yīng)ASTM B348-2000
出口用6Al-4V ELL鈦合金棒材	N/BS INT-2005-A 對應(yīng)ASTM F136-98

　　四、應(yīng)用基礎(chǔ)

　　人體植入物是與人的生命和健康密切相關(guān)的特殊的功能材料。同其它金屬材料相比較，使用鈦及鈦合金的優(yōu)勢主要有六點(diǎn)：

　　1  質(zhì)輕

　　鈦及鈦合金的密度，20℃時為4.5克/厘米3，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  彈性模量低

　　鈦及鈦合金的彈性模量低，純鈦為10850公斤力/毫米2 ，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)。

　　3 無磁性

　　鈦及鈦合金是無磁性金屬，不受電磁場和雷雨天氣的影響，這有利于使用后的人體安全。

　　4 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。.

　　5 抗腐蝕性

　　鈦及鈦合金被稱為是生物惰性金屬材料，對人體血液的浸泡環(huán)境中具有優(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，作為植入物不產(chǎn)生人體污染，不會發(fā)生過敏反應(yīng)，這是鈦及鈦合金應(yīng)用的基礎(chǔ)條件。

　　在人體植入物用鈦及鈦合金表面進(jìn)行陽極氧化著色處理，提高了植入物件在人體條件下的耐磨性、耐蝕性和循環(huán)疲勞抗力，也在很大程度上解決了金屬離子溶出問題，提高了植入物的相溶性。同時也可以作為不同規(guī)格制品的標(biāo)識，方便了手術(shù)操作。

　　6  強(qiáng)度高、韌性好

　　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、螺絲釘、人造骨及關(guān)節(jié)等，這些植入物要長期留置于人體內(nèi)，會受到人體的彎曲、扭轉(zhuǎn)、擠壓、肌肉收縮力等作用，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-6Al-4V合金，完全可以滿足人體植入物的要求。

　　鈦及鈦合金具有優(yōu)異的使用特性，被世界公認(rèn)是生物醫(yī)療領(lǐng)域中優(yōu)異的金屬材料，同使用不銹鋼、鈷基合金等金屬材料相比較，具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢，發(fā)展空間很大。依據(jù)對采用鈦及鈦合金制造人體植入物廠家的調(diào)查，在表2和表3中列出了鈦及鈦合金材料制造的外科植入物名稱。

　　某公司生產(chǎn)醫(yī)用植入物鈦及鈦合金制品                                       表2

某公司生產(chǎn)醫(yī)用植入物鈦及鈦合金制品                                       表3

序 號	制 品 名 稱	序 號	制 品 名 稱
1	股骨假肢	8	股骨上端代替因截骨而缺損的
2	股骨柄系列	9	股骨軸心式膝關(guān)節(jié)假體
3	全髖金屬杯	10	脛骨軸心式膝關(guān)節(jié)假體
4	全髖金屬翼杯	11	鉸鏈?zhǔn)较リP(guān)節(jié)假體
5	半髖雙動臼杯系統(tǒng)	12	股脛骨鉸鏈?zhǔn)较リP(guān)節(jié)假體
6	全髖臼杯系統(tǒng)	13	表面式膝關(guān)節(jié)假體
7	防脫位全髖臼系列

 

　　五、研究開發(fā)

　　不斷有報導(dǎo)提出，金屬材料受到與其接觸的液體、有機(jī)分子、酶、自由基、細(xì)胞等影響，發(fā)生了腐蝕，使金屬離子向周圍擴(kuò)散而導(dǎo)致毒性作用，同時金屬材料自身的降解產(chǎn)物也會改變鄰近液體的PH值與成分組成，進(jìn)而導(dǎo)致植入物性質(zhì)蛻變并失效。這些問題是必須要解決的。

　　研究和臨床試用結(jié)果表明，醫(yī)用型鈦及鈦合金材料作為人體植入物解決了上述問題，得到推廣使用，據(jù)報導(dǎo)，世界上每年有近千噸醫(yī)用型鈦及鈦合金材料用于制造人體植入物，其中80%是Ti-6Al-4V鈦合金。

　　隨著醫(yī)用型Ti-6Al-4V鈦合金應(yīng)用發(fā)展，開發(fā)出具有高斷裂韌性，低裂紋擴(kuò)展的低間隙元素型Ti-6Al-4V ELI鈦合金。但是，醫(yī)學(xué)界專家又提出擔(dān)心鋁、釩金屬元素對人體有潛在的毒性危害作用。針對這種可能危害作用，材料學(xué)界專家積極開發(fā)無鋁、釩的新型鈦合金，如：Ti-13Nb-13Zr鈦合金（ASTM F1713-1996）、Ti-12Nb-6Zr-2Fe鈦合金（ASTM F1813-1996）、Ti-5Al-2.5Fe鈦合金、Ti-6Al-7Nb鈦合金等，并在臨床使用，其中Ti-5Al-2.5Fe鈦合金和Ti-6Al-7Nb鈦合金的應(yīng)用更為成功。

　　相關(guān)的研究和臨床使用，從深度和廣度上認(rèn)可了使用鈦及鈦合金作為人體植入物。同時還未證明Ti-6Al-4V鈦合金制品在人體中的危害作用，從綜合性能上、良好的變形加工上與價格定位上看，仍然是至今為止最理想的人體植入物金屬材料。

　　六、市場趨勢

　　據(jù)有關(guān)資料介紹，金屬材料作為人體植入物的用量逐漸增加。1990年以后，僅美國每年用于人體植入金屬件達(dá)到200萬件以上，其中髓關(guān)節(jié)、股骨件占2.5%；歐洲市場對骨折外固定產(chǎn)品和內(nèi)固定產(chǎn)品的供需兩旺，以法國、德國、意大利和英國為主，2004年市場價值達(dá)到2.8億美金，其中內(nèi)固定產(chǎn)品占85.7%。近10年來，生物醫(yī)用材料及制品的市場增長率一直保持在20%-25%，預(yù)測未來10年-15年，包括生物醫(yī)用材料在內(nèi)的醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)化發(fā)展快，將達(dá)到規(guī)模經(jīng)濟(jì)，成為世界經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。

　　醫(yī)用鈦及鈦合金材料的優(yōu)勢已經(jīng)被醫(yī)學(xué)界認(rèn)可，也被越來越多的患者接受，考慮到戰(zhàn)爭的因素、運(yùn)動創(chuàng)傷的因素和人民生活水平提高的因素等，首選鈦及鈦合金作為人體植入物的增長空間很大，勢必成為鈦應(yīng)用發(fā)展中新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。

　　七、結(jié)束語

　　國產(chǎn)醫(yī)用型鈦及鈦合金材料，在研究、生產(chǎn)工藝技術(shù)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、市場開發(fā)和推廣使用等方面，近10年來有了較大的進(jìn)展。作為人體植入物的創(chuàng)造業(yè)逐漸成為用鈦材的支柱產(chǎn)業(yè)。該行業(yè)的特點(diǎn)是需求產(chǎn)品牌號少，標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格，品種規(guī)格多，一次性訂貨量小，產(chǎn)品質(zhì)量要求高，成本高，產(chǎn)品市場大。所以，關(guān)注和推動該行業(yè)的發(fā)展，對造福于人民和促進(jìn)國產(chǎn)鈦材生產(chǎn)具有重大意義。