外科植入物材料是用于對生物體進行治療、 修復、替換病損組織器官或增進其功能的材料，要求材料具有生物相容性、優良的機械性能和耐腐蝕性能，主要用于生物體硬組織和軟組織的修復、 替換以及人工器官的制造。 隨著生物技術的蓬勃發展和重大突破，外科植入物材料及其產業將成為世界經濟的新支柱 。

目前廣泛應用的外科植入物金屬材料有不銹鋼、鉆基合金、鈦及鈦合金、貴金屬和純金屬（鉭、鈮等）五大類。 不銹鋼價格低廉易于加工，但耐蝕性和生物相容性較差，彈性模量高；鈷鉻合金的耐磨性好，但密度較大，含對人體有毒元素；貴金屬、純金屬有強耐腐蝕性，但價格昂貴 。

鈦及鈦合金由于具有比強度高、生物相容性好、彈性模量較低、耐蝕性好等特點，成為理想的外科植入物金屬材料，被廣泛應用于人體骨、關節、牙科、整形外科、 心臟外科、體內支撐架等醫學領域 。

1、外科植入物用鈦及鈦合金發展歷史

外科植入物用鈦及鈦合金從應用初期至今經歷了三個發展階段 。

1.1 應用初期

鈦在生物醫學方面的研發史可追溯到上世紀40年代 當時證實了純鈦良好的生物相容性。 但由于醫用不銹鋼、鈷鉻合金在二次世界大戰期間已開始盛行， 鈦合金在生物醫學領域的應用和發展比較緩慢。 自60年代起將純鈦用于口腔種植體后，純鈦作外科植入物材料才得到廣泛發展。 隨后Ti-3A1-2.5V也在臨床上被用作股骨和脛骨替換材料。 純鈦及Ti3-Al-2.5V雖然在生理環境中抗腐蝕性優良， 但其強度較低、耐磨性較差，從而限制了它在骨科較大承載力部位的使用 。

隨后，1954年美國水城兵工廠實驗室研制成功的Ti-6A1-4V, 因具有較高的強度和綜合的加工性能 ， 逐漸由宇航工業推向醫用，并于上世紀 70年代后期被廣泛用于制作接骨板、 骯關節 、 髓內釘等外科修復或替換材料。直至目前， TI6A14V仍是廣泛應用于外科植入物材料的重要鈦合金 。

純鈦 、 Ti-3A1-2.5V 、 Ti-6A1-4V鈦合金屬于第一代外科植入物用鈦及鈦合金，這一時期材料就地取材，沒有專門開發針對生物醫學工程用的鈦合金 。

1.2 發展階段

隨著臨床醫學發現V元素可引起呼吸、神經、胃腸和造血系統的損害， 降低生物體抵抗外界壓力、毒素及致癌物的能力， 長期用于人體有潛在危害。

為擴大鈦合金在醫療領域的應用，消除銳釩元素對生物體的毒副作用，上世紀80年代由瑞士Sulzer醫學技術公司開發了Ti-6Al-7Nb鈦合金， 并于1985年開展臨床應用，取得了良好效果。 相繼建立了ASTM F1295、ISO 5832-11等醫用鈦合金材料標準。 同時期 ，其他國家也研制了無釩醫用鈦合金， 如德國開發的Ti-5Al-2.5Fe醫用鈦合金， 并建立了ISO 5832-10國際標準。

自上世紀80年代未起，以Ti6-Al-7Nb為代表的第二代鈦合金在國際得到認可后， 便在醫療行業廣泛應用。

1.3 提高階段

以Nb、 Fe等元素代替有毒V元素的第二代醫用鈦合金， 其性能較Ti-6A1-4V并無明顯改進， 見表1 。

表1 外科植入物材料性能對比

第二代鈦合金的彈性模量與人體骨彈性模量仍差距較大， 容易產生“ 應力屏蔽 ”，從而導致種植體周圍出現骨吸收和功能退化， 最終引起種植體的松動或斷裂而造成種植失??；同時隨著醫學臨床的研究， 證明A1、V、Co、Ni、Fe、Cr等細胞毒性元素,長期植入人體內， 會降低細胞適應性， 造成骨質疏松和精神紊亂等病癥。

自上世紀90年代起，美國、日本便開始研制采用Nb、Ta、Mo、Zr、Sn 替A1、V、Ni、Fe、Cr等有毒元素，且強度高、生物相容性好、 彈性模量更接近人體骨的第三代β型外科植入物用鈦合金。如美國的Ti-13Nb-13Zr、Ti-15Mo-2.8Nb-0.2Si、Ti-15Nb、Ti-16Nb-10Hf,Ti-15Mo、Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr；日本的Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr、Ti-29Nb-13Ta-2Sn。至今,低模量亞穩定β鈦合金仍是外科植入物用鈦合金材料研究的重點。

2、外科植入物用鈦及鈦合金標準現狀

我國外科植入物用鈦及鈦合金材料生產主要采用中國國家標準（GB或 GB/T）、美國材料與試驗協會標準（ASTM）及國際標準（ISO）三類，見表2。

表 2 典型外科植入物用鈦及鈦合金現行材料標準

國際ISO外科植入物用材料標準為ISO 5832系列。 涉及第一 、 二代鈦及鈦合金共 4 個標準（關于Ti-5Al-2.5Fe的ISO 5832-10 于2000年廢止）。 國際ISO標準在內容上只規定了材料的基礎屬性， 如化學成分 、 力學性能和顯微組織。

美國ASTM 外科植入物用材料標準為ASTM F系列 ， 涉及了已臨床應用的三代鈦及鈦合金材料，且標準的更新速度較快。美國ASTM 標準除材料基礎屬性外，還對尺寸公差、表面污染層和無損檢測做了規定。 自2011年后，ASTM F系列鈦標準更新中陸續加入了美國宇航材料的相應要求，如 AMS 2380“優質鈦合金的認可及控制”和AMS 2631“鈦及鈦合金棒材及鍛坯的超聲波檢驗”。美國ASTM F系列的變化體現了外科植入物用鈦材在質量體系上的高要求不低于宇航用鈦材。

中國GB或GB/T標準主要通過采用美國ASTM及國際ISO先進標準制定，因此標準整體上與國外先進標準有一定的滯后性，性能指標雖與國外先進標準無差距，但缺少完善的質量保證體系及配套工藝。同時ASTM與ISO在力學性能檢測方法上體系有差異， 因此在合并采用美國ASTM及國際ISO標準時,國內標準規定的塑性指標與國外先進標準有可能并不一致 。

3、存在問題

隨著臨床醫學的進步，外科植入物用鈦急劇攀升，國內很多醫療生產廠家已將鈦合金材料植入物作為產品開發的重點，但還存在很多問題。

①材料研究仍以仿制或改進國外材料為主， 缺少真正的自主創新產品； 國內臨床研究缺乏統計學意義， 不被國際認可研究成果轉化慢 。

②國內外科植入物材料標準以等同翻譯或修改采用ASTM及ISO標準制定， 但并無制定與之相配套的專用生產工藝、質量控制檢驗程序及相關法規。 現國內除個別有軍工體系及美國宇航體系認證的企業能得到國外高端醫療機構認可外,絕大多數企業進入不了國外市場問。

③外科植入物產品生產廠家對鈦合金材料牌號、性能缺乏科學認識，盲目認為符合標準的就行,不了解上游材料生產廠家是否有相應生產資質，材料追溯性不強；導致出現由于產品材料原因而造成多例植入物在體內發生斷裂失效 ， 引起醫療糾紛的事件 。

④對外科植入物用鈦合金材料的研究力度不夠。鈦合金植入物材料的加工工藝、表面處理水平等都與世界先進水平有很大差距。

4、展望

作為外科植入物使用的主要金屬材料之一，鈦及鈦合金已經得到了廣泛認可。隨著我國醫療改革的深入，外科植入物用鈦合金材料的使用也會逐年增加，因此急需在以下幾方面取得進展。

①改進現有外科植入物用鈦及鈦合金材料的不足 ， 利用非晶化、表面納米化和微晶化以及表面改性和活化技術，提高其生物相容性、化學穩定性 、耐磨性 ，使其綜合力學性能大幅提高，促進其在骨科植入物或牙科修復物產品方面的臨床應用。

②開發低彈性模量，高耐磨性能 、抗腐蝕性能及高斷裂韌性，低裂紋擴展速率、 高損傷容限 ， 并具有優良生物相容性的外科植入物用鈦及鈦合金材料。

③提高我國外科植入物用鈦及鈦合金加工材的質量水平， 材料的質量控制標準要與國際接軌,并加強材料的標準化創新工作。

相關鏈接