鈦合金在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

關(guān)于鈦合金在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用鈦于1791年由格雷格爾于英國康沃爾郡發(fā)現(xiàn)，并用希臘神話的泰坦為其命名。在地殼中，鈦的儲量僅次于鐵、鋁、鎂居于第四位，它儲量非常的豐富。鈦的正真利用在20世紀(jì)五十年代，美國研制成功的Ti-6Al-4V合金。鈦的性能：由于鈦具有熔點高、強度大、韌性好、抗疲勞、耐腐蝕、導(dǎo)熱系數(shù)低、高低溫度耐受性好等優(yōu)越性能，尤其是鈦能和鐵、鎂、鉬等其他金屬溶合成性能優(yōu)越的合金或復(fù)合材料。定義：鈦合金是以鈦為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金。種類：α合金,(α+β)合金和β合金。中國分別以TA、TC、TB表示。鈦合金的缺點鈦合金主要限制是在高溫與其它材料的化學(xué)反應(yīng)性差，這容易造成模具的損壞，這就使鈦合金的價格變得十分昂貴。這是鈦合金無法發(fā)揚光大的最大致命傷。第2頁,共13頁，星期六，2024年，5月

目前，鈦及其合金主要用于航天航空和軍事工業(yè)上。據(jù)統(tǒng)計，鈦在航空航天的應(yīng)用約占鈦總量的7左右。鈦主要應(yīng)用與軍用飛機、民用飛機、航空發(fā)動機、航天器、人造衛(wèi)星殼體連結(jié)座、高強螺栓、燃料箱、導(dǎo)彈尾翼等船舶行業(yè)鈦合金在海洋條件下有著及其優(yōu)良的耐腐蝕性能、高比強度、無磁等特點因而廣泛應(yīng)用于船舶行業(yè)。目前，鈦在船舶上已經(jīng)應(yīng)用的部件有：耐壓殼體、螺旋槳和槳軸、通海管道、閥門及附件、熱交換器聲學(xué)裝置零件部件。體育器械在體育行業(yè)的應(yīng)用正在興起。目前主要應(yīng)用于鈦鑄造的高爾夫球桿頭，具有重量輕、強度大與不銹鋼相比可以制作打擊面與容積更大的球頭，因而打得準(zhǔn)，打得遠(yuǎn)?；ず湍茉椿ぁ⒁苯?、造紙、制堿、石油和農(nóng)藥工業(yè)是使用鈦合金較早的行業(yè)主要用于耐腐漿泵、閥門、葉輪、陽極液槽、加熱器、蒸發(fā)器等部件。其它行業(yè)，在建筑業(yè)中，鈦的應(yīng)用越來越廣，主要應(yīng)用與許多重污染的地方、都市和海濱地區(qū)的腐蝕問題得到很好的解決。比如日本建造的世界首例鈦屋頂加利福利亞的塞里托斯千年圖書館的屋頂。農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)、食品業(yè)和制藥業(yè)中、核工業(yè)中、日常消費品中，鈦用于制造手表殼、照相機外殼、野營用具、錄放機、拐杖、剪子、剃須刀等等。日本星野樂器公司使用鈦制作了鼓，，市場上出現(xiàn)了9克鈦制的眼鏡架。第3頁,共13頁，星期六，2024年，5月鈦合金諸多領(lǐng)域應(yīng)用的實例第4頁,共13頁，星期六，2024年，5月鈦在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用生物醫(yī)用材料是用于對生物體進(jìn)行診斷、治療、修復(fù)或替換其病損組織、器官或增進(jìn)其功能的金屬或合金，主要用于骨和牙等應(yīng)組織的秀發(fā)和替換、心血管和軟組織修復(fù)以及人工器官的制造。鈦的物理性能具有密度低、比強度高、耐熱及耐腐蝕性好、生物相容性優(yōu)異等特點，此外鈦及鈦合金具有無毒、質(zhì)輕、耐生物體腐蝕、彈性模量低及生物相容性優(yōu)異等特點，成為理想的醫(yī)用金屬材料，被廣泛應(yīng)用于人體骨、人體關(guān)節(jié)、牙科、整形外科、心臟外科、體內(nèi)支撐架及醫(yī)療器械等醫(yī)學(xué)領(lǐng)先迄今為止，還沒有看到比鈦合金更好的金屬材料應(yīng)用于臨床的了。美國、西歐等極其重視鈦合金的研發(fā)工作，不斷發(fā)出新型醫(yī)用材料，擴大了臺機器合金在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，滿足了各類假肢、牙病患者康復(fù)的愿望。第5頁,共13頁，星期六，2024年，5月

作為生物醫(yī)用材料的鈦及其合金必須滿足1.生物力學(xué)相容性：主要包括硬度、屈服強度、彈性模量和延伸性。如果植入物由于強度不高或者植入物與人體骨之間的機械性能不匹配而發(fā)生斷裂失效，這就是生物不相容性。通常期望骨修復(fù)植入物的彈性模量與人體骨的彈性模量接近，人體骨的彈性模量在4~30GPa之間。2.生物相容性：作為植入物的材料應(yīng)該對人體無毒性、在體內(nèi)不會引起任何炎癥和過敏反應(yīng)植入物在人體植入成功主要取決于材料與人體的反應(yīng)，這也能衡量材料的生物相容性。3.耐腐蝕和耐磨性能：在體液環(huán)境中，植入材料的有效使用時間取決于磨損性，耐磨性能差會引起植入物松動并且產(chǎn)生磨損碎屑，在沉積的組織中引起反應(yīng)。4.骨結(jié)合性：植入材料表面由于微運動與人體骨和其它組織不能很好地結(jié)合，就會導(dǎo)致植入物在體內(nèi)松動。植入物表面化學(xué)表面粗糙度和表面性毛豆對骨結(jié)合起著主要作用。第6頁,共13頁，星期六，2024年，5月醫(yī)用鈦合金材料

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中廣泛使用的仍是Ti-6Al-4vELI合金。但后者會析出極微量的釩和鋁離子，降低了其細(xì)胞適應(yīng)性且有可能對人體造成危害，這一問題早已引起醫(yī)學(xué)界的廣泛關(guān)注。美國早在20世紀(jì)80年代中期開始研制無鋁、無釩、具有生物相容性的鈦合金，將其用于矯形術(shù)。日本、英國等也在該方面做了大量的研究工作，并取得一些新的進(jìn)展。例在日本已開發(fā)出一系列具有優(yōu)良生物相容性的α+β鈦合金，包括Ti-15Zr-4Nb_4ta-0.2Pd、Ti-15Zr-4Nb-aTa-0.2Pd-0.20~0.05N、Ti-15Sn-4Nb-2Ta-0.2Pd和Ti-15Sn-4nb-2Ta-0.2Pd-0.20，這些合金的腐蝕強度、疲勞強度和抗腐蝕性能均優(yōu)于Ti-6Al-4vELI。與α+β鈦合金相比，β鈦合金具有更高的強度水乎，以及更好的切口性能和韌性，更適于作為植入物植入人體。在美國，已有5種β鈦合金被推薦至醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，即TMZFTM（TI-12Mo-^Zr-2Fe）、Ti-13Nb-13Zr、Timetal21SRx（TI-15Mo-2.5Nb-0.2Si）、Tiadyne1610（Ti-16Nb-9.5Hf）和Ti-15Mo。估計在不久的將來，此類具有高強度、低彈性模量以及優(yōu)異成形性和抗腐蝕性能的廬鈦合金很有可能取代目前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中廣泛使用的Ti-6Al-4VELI合金[28,32]。第7頁,共13頁，星期六，2024年，5月鈦合金在醫(yī)學(xué)方面的具體應(yīng)用面部治療當(dāng)人體面部遭到嚴(yán)重破壞時，局部組織修復(fù)就要用外科植入人體進(jìn)行。鈦合金具有良好的生物相容性和所需強度，因此是人體面部組織修復(fù)的理想材料。純鈦網(wǎng)做為骨頭托架已用于顎骨再造手術(shù)。第8頁,共13頁，星期六，2024年，5月介入性治療

介入性治療通常實在X射線圖像監(jiān)視下，利用穿刺插管技術(shù)將特制導(dǎo)管、支架等沿血管或體內(nèi)其他管腔輸送到體內(nèi)病變處就地治療。過去的316L不銹鋼制的支架縱向柔韌性不太滿意，而鈦鎳形狀記憶合金支架具有偏向式力學(xué)效應(yīng)和形體記憶效應(yīng)，除此之外良好的冷加工成形性，更適合人體要求。

人體矯形

鈦合金彈性模量比不銹鋼更接近人體骨骼，因此鈦合金肘關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)等被廣泛用于人體矯形手術(shù)中。據(jù)報道每年世界上大約有一億病人由于臂關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)炎癥而進(jìn)行替換治療，因此鈦制假肢應(yīng)用前景廣泛。第9頁,共13頁，星期六，2024年，5月循環(huán)系統(tǒng)醫(yī)療器械鈦通常被用在制作心率調(diào)節(jié)器和除顫器，它可以作為載體工具替代心臟本身某些功能，如心臟瓣膜。美國活性金屬公司提供了一種鈦材，用以制造主動脈瓣膜．外科醫(yī)生把這種心臟瓣膜放在適當(dāng)位置而不必進(jìn)行縫合。在心臟起搏器中，密封的鈦盒能有效防止潮氣滲入密封的電子元器件。人工肺關(guān)鍵部位使用的微孔鈦片作為氣體擴散元件將氧氣擴散到體外循環(huán)的病人血液中，將靜脈血變成動脈血。第10頁,共13頁，星期六，2024年，5月手術(shù)器械鈦醫(yī)療器械具有良好的抗腐蝕能力，反復(fù)的清洗、消毒表面質(zhì)量不受影響；無磁性，能夠排除對微小、敏感植入電子器械的破壞威脅；質(zhì)輕，用來替代不銹鋼重量大為減輕，使醫(yī)生操作過程中更加靈活，降低醫(yī)生的疲勞程度。因此，目前已用來制作手術(shù)刀片、止血鉗、剪刀、電動骨鉆、鑷子等等第11頁,共13頁，星期六，2024年，5月前景及展望

鈦合金具備生物醫(yī)用材料所需的優(yōu)異性能而大量用作人體植入物，特別是作為人體硬組織修復(fù)和替代的材料。關(guān)節(jié)置換是由例如骨質(zhì)疏松癥、骨關(guān)節(jié)炎和創(chuàng)傷等疾病引起的。據(jù)估計到2030年底，對長期有效的植入物需求增長巨大，全髖關(guān)節(jié)置換數(shù)將增長174%，全膝關(guān)節(jié)成形術(shù)預(yù)計增長673%。外科修復(fù)增長，由于各種原因引起的身體創(chuàng)傷增多。因此開發(fā)具有較長使用壽命和優(yōu)異生物相容性的鈦合金材料，應(yīng)用前景廣闊。目前已開發(fā)的生物醫(yī)用鈦合金需要改進(jìn)的