生物醫(yī)用鈦及鈦合金在外科植入中的應(yīng)用

生物材料或生物材料是與生物系統(tǒng)作用的材料，用于診斷、治療、修復(fù)或替換身體上的組織、器官或增加器官的功能。生物醫(yī)用金屬材料屬于生物惰性材料,其主要用于硬組織修復(fù)和替換,也用于心血管和軟組織等的修復(fù);骨科中主要用于制造各種人工關(guān)節(jié),人工骨及各種內(nèi)、外固定器械;牙科中主要用于制造義齒、充填體、種植體、矯形絲及各種輔助治療器件;另外還用于制造心臟瓣膜、血管擴(kuò)張器、血管內(nèi)支架、人工氣管、人工肺、頭蓋骨、心臟起搏器、胰島素分配器、膀胱控制器及各種外科輔助器械等,鈦及鈦合金由于具有良好的綜合性能在醫(yī)用金屬材料中占有越來(lái)越重要的地位。最早開(kāi)發(fā)的醫(yī)用不銹鋼,耐蝕性差,生物相容性不良,于是又開(kāi)發(fā)出醫(yī)用鈷基合金,從而解決了耐蝕、耐磨和表面穩(wěn)定等問(wèn)題。但由于磨損腐蝕造成Co、Ni等離子溶出,使人工髖關(guān)節(jié)松動(dòng)率較高且Co、Ni、Cr還可能使皮膚過(guò)敏,其中以Co最為嚴(yán)重。而鈦合金具有比強(qiáng)度高、彈性模量較低、耐腐蝕性、易加工成形,不會(huì)產(chǎn)生過(guò)敏以及在金屬材料中擁有最好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn),是一種理想的醫(yī)用植入材料。因此,醫(yī)用鈦基合金必須具有:①合理的低密度;②微量或完全無(wú)毒性的合金添加元素;③高強(qiáng)度和良好的耐疲勞特性;④與皮質(zhì)骨的彈性模量相比越接近越好;⑤在室溫下具有很高的可塑性以使其容易成形;⑥良好的可鑄性,以便鑄出無(wú)缺陷的材料。1型鈦合金的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展純鈦(α型)和近α型鈦合金作為生物醫(yī)用材料,表現(xiàn)出優(yōu)越的耐蝕性,但其主要缺點(diǎn)是當(dāng)環(huán)境溫度低時(shí),其強(qiáng)度很低、拋光困難且耐磨性較差,從而限制了它在較大承載部位的使用。相比之下,(α+β)型鈦合金由于具有α和β兩相,從而表現(xiàn)出較高強(qiáng)度。(α+β)型鈦合金的性能取決于成分、α/β相比例及合金前期熱處理。目前80%以上的鈦合金植入物產(chǎn)品仍在使用Ti-6Al-4VELI(即Ti-6Al-4VExtraLowInterstitial)。由于V有毒性,用Nb和Fe置換V后,(α+β)相的Ti-4Al-2.5Fe(德國(guó))合金及Ti-6Al-7Nb(瑞士)合金于20世紀(jì)80年代問(wèn)世,此后,無(wú)V和Al的(α+β)合金Ti-15Zr及Ti-15Sn合金系問(wèn)世。20世紀(jì)90年代以來(lái),一系列新型β型鈦合金問(wèn)世。β型鈦合金(介穩(wěn)或穩(wěn)定)具有高強(qiáng)度和良好的可成型性,且獨(dú)自具有低彈性模量和超級(jí)耐蝕性,因而受到極大重視并很快得到發(fā)展。β型鈦合金的卓越性能,來(lái)源于其顯微結(jié)構(gòu),S.Ankem等對(duì)此進(jìn)行了研究。90年代中后期,美國(guó)科學(xué)家成功研制出Ti-13Nb-13Zr合金,一種β型醫(yī)用鈦合金且最早被正式列入ISO標(biāo)準(zhǔn)。與Ti-6Al-4V合金相比,其彈性模量低近40%,與純Ti和Ti6Al4V合金相比具有更高的與造骨細(xì)胞的附著力和更低的與細(xì)菌的附著力。后美國(guó)又相繼開(kāi)發(fā)出近β型Ti35Zr10Nb、Ti16Nb10Hf,亞穩(wěn)β型的Ti12Mo6Zr2Fe(TMZF)、Ti15Mo、Ti35.3Nb5.1Ta4.6Zr、Ti40Ta、Ti50Ta、Ti35Nb5.1Ta7.1Zr0.4O、Ti15Mo3Nb0.3O及彈性模量超低的只有55GPa的Ti35Zr5Ta7Zr(TNZT)合金。近年日本的醫(yī)用鈦合金開(kāi)發(fā)技術(shù)發(fā)展很快,相繼開(kāi)發(fā)出α+β型Ti5Al3Mo4Zr、Ti6Al2Nb1Ta、Ti1.5Sn4Nb2Ta0.2Pd和亞穩(wěn)β型Ti15Mo2.8Nb3Al、Ti29Nb13Ta4.6Zr合金。目前,對(duì)β型鈦合金設(shè)計(jì)的理論主要有:β相穩(wěn)定系數(shù)Kβ、d電子設(shè)計(jì)理論、Mo當(dāng)量公式、價(jià)電子理論和電子濃度。2鈦及其合金元素對(duì)嵌入式產(chǎn)品性能的影響對(duì)于植入材料的性能要求可以歸納為3個(gè)方面:①材料與人體的生物相容性要求;②材料在人體環(huán)境中的耐蝕性能要求;③材料的力學(xué)性能要求。2.1鈦合金的生物去除生物相容性是生物材料研究中最為重要的性能。按ISO標(biāo)準(zhǔn),生物相容性是指生命體組織對(duì)非活性材料產(chǎn)生反應(yīng)的一種性能。一般是指材料與宿主之間的相容性,包括組織相容性和血液相容性。并普遍認(rèn)為生物相容性包括兩大原則,一是生物安全性原則,二是生物功能性原則(或稱(chēng)機(jī)體功能的促進(jìn)作用)。大量的試驗(yàn)及臨床應(yīng)用表明,鈦生物相容性好,能與骨形成良好骨整合,即形態(tài)上植入物與骨直接接觸,二者之間無(wú)軟組織長(zhǎng)入;功能上植入體的負(fù)荷持續(xù)傳導(dǎo),分散在骨組織中。普遍認(rèn)為的生物相容性較好的金屬元素為T(mén)i、Nb、Ta、Zr及Sn、Pd等,但這僅是從生物安全性原則考慮的;從生物功能性原則考慮,在元素周期表中的所有70多種金屬元素中,只有Zr和Ti可支持造骨細(xì)胞的生長(zhǎng)和骨質(zhì)接合。于思榮對(duì)一些鈦合金添加元素的毒性進(jìn)行了總結(jié)。按金屬植入件引起的周?chē)M織反應(yīng),將合金添加元素分類(lèi)如表1所示。2.2材料的耐蝕性生物醫(yī)用金屬材料在臨床應(yīng)用中面臨的主要問(wèn)題是由于生理環(huán)境的腐蝕而造成的金屬離子向周?chē)M織擴(kuò)散以及植入材料自身性能的蛻變,前者可能導(dǎo)致毒副作用,后者可能導(dǎo)致植入失效。所以金屬植入材料是按其耐蝕能力而選定的。耐蝕性材料在空氣中易與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生氧化層,即所謂保護(hù)層,它阻止了材料的進(jìn)一步氧化。材料的耐生理腐蝕性是決定其植入后成敗的關(guān)鍵。鈦元素化學(xué)性活潑,在空氣中極易形成一層穩(wěn)定致密,厚約5~10nm的氧化鈦(TiO2)薄膜,具有極好的耐蝕性。而元素Zr,Ta,Nb,Pd,Hf這些元素對(duì)軟組織呈惰性,與人體各組織具有良好的生物相容性,并且它們的主要腐蝕產(chǎn)物在人體中比較穩(wěn)定,不易發(fā)生水解,具有很好的耐蝕性。Okazaki等的研究證實(shí),當(dāng)加入合金元素Zr,Nb,Ta和Pd后,耐蝕性增加,因?yàn)樵诓牧媳砻嫘纬闪薢rO2,Nb2O5,Ta2O5和PdO,從而加強(qiáng)了TiO2層的保護(hù)性。Ti15Zr4Nb4Ta,Ti13Nb13Zr等β型生物醫(yī)用鈦合金中普遍添加了這些提高耐蝕性的元素,從而使β型生物醫(yī)用鈦合金擁有良好的耐蝕性。由于腐蝕與材料表面和環(huán)境有關(guān),在設(shè)計(jì)和加工醫(yī)用鈦合金植入件時(shí)還必須重視改善材料的表觀質(zhì)量,如提高光潔度等,避免制品在形狀、力學(xué)設(shè)計(jì)及材料配伍上出現(xiàn)不當(dāng)。2.3不同元素對(duì)強(qiáng)度的影響合金元素Zr、Sn、Nb、Ta、Pd的含量對(duì)σ0.2、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)量和斷面收縮率的影響如圖1所示。從圖1中可知,隨著Sn、Zr的添加強(qiáng)度直線上升。Sn的添加對(duì)強(qiáng)度的影響很顯著,而Zr的添加量>15%時(shí)對(duì)強(qiáng)度的增加貢獻(xiàn)很小。β相穩(wěn)定元素Nb、Ta和β相共析元素Pd對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)很小?？偟纳扉L(zhǎng)量和斷面收縮率相對(duì)合金成分的變化基本不變,但當(dāng)Sn和Zr含量>15%時(shí),此兩個(gè)值都大幅下降。3機(jī)械能力對(duì)生物兼容性的影響3.1不銹鋼和鈦合金彈性模量的比較彈性模量是生物醫(yī)用金屬材料尤其是骨替代材料中最重要的物理性質(zhì)之一。如果金屬的彈性模量相對(duì)骨骼過(guò)高,在應(yīng)力作用下,承受應(yīng)力的金屬和骨將產(chǎn)生不同的應(yīng)變,在金屬與骨的接觸界面處出現(xiàn)相對(duì)位移,從而造成界面處的松動(dòng),影響植入器件的功能,或者造成應(yīng)力屏蔽,引起骨組織的功能退化或吸收;金屬的彈性模量過(guò)低,則在應(yīng)力作用下會(huì)造成大的變形,起不到固定和支撐作用。上述許多種生物醫(yī)用鈦合金都是為了得到低剛度而開(kāi)發(fā)的。主要的生物醫(yī)用不銹鋼,Co-Cr系合金和鈦合金彈性模量的比較如圖2所示。從圖2中可知,316不銹鋼和Co-Cr-Mo合金的彈性模量比皮質(zhì)骨的大得多。應(yīng)用最為廣泛的Ti-6Al-4V合金的彈性模量比不銹鋼和Co基合金低許多。β型鈦合金的彈性模量比α或(α+β)型鈦合金的小許多。于是,對(duì)于低剛度β型鈦合金的研究與開(kāi)發(fā),越來(lái)越引起關(guān)注。但鈦合金的彈性模量(55~110MPa)與人體骨骼的(10~30MPa)仍有較大的差距,于是,可把純鈦或鈦合金制成多孔材料,如當(dāng)純鈦中含有32%~35%(體積)氣孔率的多孔鈦便可達(dá)人體骨的彈性模量,且細(xì)胞可長(zhǎng)入孔中,所以生物相容性良好。張安元等已將多孔鈦合金片用于修補(bǔ)胸壁缺損并取得成功。3.2提高硬度和耐磨性磨損中產(chǎn)生的有害金屬微粒或碎屑具有較高的能量狀態(tài),易與體液發(fā)生化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致磨損、局部周?chē)M織的炎癥、毒性反應(yīng)等。材料的硬度反映材料的耐磨性,因此,可通過(guò)提高材料的硬度來(lái)改善耐磨性。鈷基合金的耐磨性最好,不銹鋼次之。鈦及鈦合金缺點(diǎn)是硬度較低,耐磨性差。為了改善鈦及鈦合金的耐磨性能,可將鈦制品表面進(jìn)行高溫離子滲氮及應(yīng)用離子注入技術(shù)處理,通過(guò)引起晶格畸變,使制品表面呈壓應(yīng)力狀態(tài),從而提高硬度和耐磨性。Okazaki等將Ti-Zr系及Ti-Sn系合金固溶處理再時(shí)效強(qiáng)化后其硬度明顯提高。4制備生物鐵調(diào)劑和