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钛合金在医学中的应用

发布时间:2022-07-04 人气:577


  [摘要]及其合金以其与骨相近似的弹性模量、良好的生物相容性及在生物环境下优良的抗腐蚀性等在临床上得到了越来越广泛的应用&综述了医用钛合金的发展和研究现状,阐述了钛的生物相容性原理,同时简单评述了钛及其合金表面改性与钛基复合材料的研究现状&分析表明:纯钛及其合金具有出色的生物相容性主要归功于表面附着的氧化层;β型钛合金与β型钛合金相比,具有较高的耐磨性,是一种很有前途的外科植入用钛合金;寻求更为理想的表面改性工艺从而获得高质量的涂层,或将生物活性相添加进钛合金基体中制备成复合材料是提高医用钛合金生物活性的两种有效途径。
  [关键词]医用钛合金;发展和研究现状;生物相容性;表面改性;复合材料
  钛是周期表中第ⅣB类元素,外观似钢,熔点达1672℃,属难熔金属。钛在地壳中含量较丰富,远高于Cu、Zn、Sn、Pb等常见金属。我国钛的资源极为丰富,仅四川攀枝花地区发现的特大型钛磁铁矿中,伴生钛金属储量约达4.2亿吨。[1]纯钛机械性能强,可塑性好,易于加工,如有杂质,特别是0、N、C等元素存在,会提高钛的强度和硬度,但会降低其塑性,增加脆性。
  钛是容易钝化的金属,且在含氧环境中,其钝化膜在受到破坏后还能自行愈合。因此,钛对空气、水和若干腐蚀介质都是稳定的。钛和钛合金有优异的耐蚀性,只能被氢氟酸和中等浓度的强碱溶液所侵蚀。特别是钛对海水很稳定,将钛或钛合金放入海水中数年,取出后,仍光亮如初,远优于不锈钢。
  钛的另一重要特性是密度小。其强度是不锈钢的3.5倍,铝合金的1.3倍,是目前所有工业金属材料中最高的。
  液态的钛几乎能溶解所有的金属,形成固溶体或金属化合物等各种合金。合金元素如A1、V、Zr、Sn、Si、Mo和Mn等的加入,可改善钛的性能,以适应不同部门的需要。由于上述优异性能,钛享有“未来的金属”的美称,钛合金已广泛用于国民经济各部门,它是火箭、导弹和航天飞机不可缺少的材料。船舶、化工、电子器件和通讯设备以及若干轻工业部门中要大量应用钛合金。钛无毒,质轻,比强度高且具有相当优秀的医学相容性使得其在医学领域应用广泛。钛合金常常被用作生物医学材料主要用来修复骨骼、关节、牙齿以及血管等。医学领域钛合金主要用于制造植入人体内的医疗器件、假体或人工器官和辅助治疗设备的钛合金。主要有钛6铝4钒、5铝2.5锡等。它们具有比强度高、力学性质接近人骨,强度远优于纯钛,还具有耐疲劳、耐腐蚀及生物相容性优良等特点。广泛用于各种人工关节人工骨、骨固定器件、义齿、齿科嵌、固定桥等。
  一、钛合金的特点分析
  (一)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。
  (二)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。
  (三)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。
  (四)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。
  (五)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。
  (六)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Ti6Al4V合金,完全可以满足人体植入物的要求。
  二、医用钛合金的发展
  钛及其合金的发展可分为三个时代,第一个时代以纯钛和Ti6Al4V为代表,第二个时代是以Ti5AlFe为代表新型合金,第三个时代则是一个开发与研制更好生物相容性和更低弹性模量钛合金的时代,其中以对α+β钛合金的研究最为广泛。目前,在医学领域中广泛使用的仍是Ti6Al4v ELI合金。但后者会析出极微量的钒和铝离子,降低了其细胞适应性且有可能对人体造成危害,这一问题早已引起医学界的广泛关注。美国早在20世纪80年代中期便开始研制无铝、无钒、具有生物相容性的钛合金,将其用于矫形术。日本、英国等也在该方面做了大量的研究工作,并取得一些新的进展。与α+β钛合金相比,β钛合金具有更高的强度水乎,以及更好的切口性能和韧性,更适于作为植入物植入人体。在美国,已有5种β钛合金被推荐至医学领域。估计在不久的将来,此类具有高强度、低弹性模量以及优异成形性和抗腐蚀性能的庐钛合金很有可能取代目前医学领域中广泛使用的Ti6Al4V ELI合金。
  三、钛的生物相容性原理
  生物相容性指材料在机体的特定部位引起恰当的反应。根据国际标准化组织(International Standards Organization,ISO)会议的解释,生物相容性是指生命体组织对非活性材料产生反应的一种性能,一般是指材料与宿主之间的相容性。生物材料植入人体后,对特定的生物组织环境产生影响和作用,生物组织对生物材料也会产生影响和作用,两者的循环作用一直持续,直到达到平衡或者植入物被去除。生物相容性是生物材料研究中始终贯穿的主题。   纯钛及其合金具有出色的生物相容性主要归功于表面附着的氧化层%钛表面氧化层的主要优点是:二氧化钛具有较低的固有毒性;二氧化钛在水中的溶解度很低;四价钛与生物分子的反应活性很低,接近化学惰性;&过氧化物化学现象具有明显的抗炎作用。
  四、钛合金在医学上的应用
  (一)人造髋关节
  人造髋关节,人造关节的一种,仿照人体髋关节的结构。指从大腿骨上端插进金属杆,杆顶有一个金属球,能代替股骨顶部。在髋骨窝中粘牢一个塑料臼,金属球就嵌在臼内。如今已有成千上万病人装上这种关节。目前最常用做髋关节的金属材料是钛合金材料。钛合金产品毛坯采用热等静压的加工方法。钴钼合金采用铸造的加工方法,不锈钢采用锻造的加工方法,后经机加工成型,并经过表面处理而成。
  (二)钛合金烤瓷牙
  它主要是指介于贵金属烤瓷牙和镍铬合金烤瓷牙之间的烤瓷牙材料,此种瓷牙从严格意义上来说,保证人体亲和性好,而且此种材料是比较适合人体健康的要求,其使用寿命会大大超出人们的想象,从理论上来讲,只要注意正确用牙,使用寿命都是终生的。它的优点是钛合金与陶瓷的结合力很好,钛合金烤瓷牙具有不易崩瓷、经久耐用的特点,钛合金的生物相容性好,通常不会引起周围组织变色。而它的缺点是:钛合金烤瓷冠内冠呈灰金属色,钛合金烤瓷冠修复后会在特殊光线下会呈现出不易察觉的偏青色,其美容效果比较差。
  (三)钛合金支架
  目前钛合金制造支架以强度高,表面光滑、耐磨损、耐腐蚀,永久修复等优点而被广泛应用。一般的钛合金支架含钛46%,具有良好的生物相容性,同等于75%的黄金合金。
  用钛合金制造支架,修复短期内患者即可行使咀嚼功能,且不适感消除快,固位好,用钛合金支架修复缺失牙,具有良好的强度和弹性。纯钛与人体组织有良好的适应性,使得其基托下方的口腔黏膜不会产生类似排斥的反应,如微血管流速的改变、组织液渗出的增加等等。这样患者戴用钛合金基托义齿后产生义齿性口炎的条件就大大减少,提高了患者的满意度。钛合金支架能很好的帮助恢复牙体形态和功能,且强度高,表面光滑、耐磨损、耐腐蚀,一种永久修复体,适用于一切固定者。尤其是它的生物相容性好,对镍离子敏感的人比较适合,现已被广泛地推广应用于前牙的修复。
  (三)钛材料在制药工业中应用
  钛在制药业中主要用于制作容器、反应器和加热器等。制药生产中,设备经常要接触盐酸、硝酸、硫酸等无机酸、有机酸及其盐类,设备因腐蚀经常损坏,同时因钢制设备带来的铁离子污染影响了产品质量,采用钛制设备则能解决这些问题。例如,青霉素酯化釜、糖化罐、氯霉素薄膜蒸发器,安乃近反应器、米吐尔过滤器、硫酸二甲酯冷却器、药液过滤器等,都有选钛材的先例,所生产的药液的数量和质量都不断提高,而且质量完全符合中国药典的规定。
  五、钛合金的未来发展趋势
  (一)钛记忆合金
  80 年代初期,NiTi形状记忆合金成功用于骨科临床,引起骨科专家和临床医生的关注,并称之为“神奇金属”。这种功能材料具有奇特的形状记忆效应、超弹性、耐疲劳、耐磨损、耐腐蚀、生物相容性好。它是由56%(质量百分比)的 Ni 和 44%(质量百分比)的钛组成。用于骨科临床的NTSMA)的变形温度为 0℃5℃,回复温度为 37℃左右。用NTSMA材料固定骨折后,在体温或热盐水湿敷下升温而产生形状回复,但骨骼对材料回复产生了限制,这样在骨折断端产生一种动态、持续性质的加压力或钳夹力而达到固定骨折的作用。我国NTSMA材料的基础研究比国外晚,但在临床应用研究方面处于国际领先地位。
  (二)医用纯钛及其钛合金的表面改性
  在生物医学领域中,表面改性主要是为了改善植入体的耐磨性、抗蚀性和生物学性能(包括生物相容性和生物活性)。虽说钛及其合金与其它金属材料相比具有与骨最为接近的弹性模量,然而仍远远高于骨的弹性模量,这就容易造成界 面上机械性能的不匹配;同时,从成分上来看,钛与自然骨的成分截然不同,钛与骨之间虽然具有 良好的生物相容性,植入后种植体周围无纤维包囊形成,但钛合金与骨之间只是一种机械嵌连性 的骨整合,而非强有力的化学骨性结合,因此对钛合金进行表面改性以改善其生物学性能引起了人们的日益重视。


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