生物医用材料是指和生物系统相作用,用以诊断、治疗修复或替代机体中的组织、器官或增进其功能的材料。可分为医用金属材料、医用高分子材料、医用陶瓷材料等,其中医用金属材料占有很大的比重,特别是骨科产品、心脑血管产品。[1]
尤其是钛合金具有的高强度、低密度、无毒性以及良好的生物相容性和耐腐蚀性等特性已被用于医学领域中,成为人工关节、骨创伤、脊柱矫形内固定系统、牙种植体、人工心脏瓣膜、介入性心血管支架、手术器械等医用产品的首选材料。
医用钛合金的优势[2]
①生物相容性:与人体发生最小的生物学反应,无毒无磁,作为人体植入物,对人体无毒副作用。
②力学性能:高强度、低弹性模量,既满足力学要求,又与人体自然骨弹性模量相近,可减少应力屏蔽效应,更有利于人骨的生长愈合。
③耐腐蚀性能:钛合金为生物惰性材料,在人体生理环境下有很好的抗腐蚀性能,对人体生理环境不产生污染。
④质轻:一般钛合金的密度仅为不锈钢的57%,植入人体后大幅度减轻人体的负荷量。
医用钛合金发展历程
由于钛与人体骨骼接近,对人体组织具有良好的生物相容性、无毒副作用,具有其他材料无法比拟的优势,所以医用钛合金在医疗领域得到了广泛的应用。
金属材料作为生物医用功能材料是材料科学的一个重要分支,用于人体植入物的历史已有400余年。
生物医用钛合金经历了纯钛与Ti-6Al-4V钛合金、改良钛合金、低模量β钛合金三个历程。1950-1980年:纯钛首次用于生物医药领域,证实了良好的生物相容性。Ti6Al4V广泛用于外科修复或替换材料。1980-1990年:证实V、Al是对生物体有毒副作用的元素,开发出以Nb、Fe替代V的第二代改良新型医用钛合金。1990年-至今:90年代初期开发第一个具有更好生物相容性和更低弹性模量的β钛合金Ti13Nb13Zr,从此开启了具有优异性能的生物医用β钛合金的开发和使用。[3-4]
钛及其钛合金在医学领域的应用[5-7]
近年来,钛及其合金以整形外科、牙科及各种医疗器械为中心,在医学领域得到空前的快速发展。
1、人体矫形
钛合金弹性模量比不锈钢更接近于人体骨骼,因此钛合金肘关节、踝关节等被广泛用于人体矫形手术中。每年世界上大约有1亿病人由于臂关节和膝关节炎症而进行替换治疗。钛制膝盖板比用不锈钢膝盖板轻许多,且腐蚀问题得到了改善。目前,钛制假肢正在逐渐取代钢制假肢。
2、牙科
从钛合金植入人体那一刻起,牙齿种植用金属材料就发生了一系列的改变。钛与人体骨骼上皮组织、结缔组织都具有良好的亲和性,力学性能也可与其它各种类型牙科用合金相媲美,且密度小,制成的义齿体感舒适,不仅如此,钛义齿通过表面处理,还可满足加淑齿美观的要求。
3、面部治疗
当人体面部组织遭到严重破坏时,局部组织修复需要用外科植入件进行。钛合金具有良好生物相容性和所需强度,是人体面部组织修复的理想材料。纯钛网作为骨头托架已用于骨头再造手术。
4、手术器械
钛医疗器械具有良好的抗腐蚀能力,反复的清洗、消毒表面质量不受影响;无磁性,能够排除对微小、敏感植入器械的破坏威胁;质轻,用来替代不锈钢重量大为减轻,使医生操作过程中更加灵活,降低医生的疲劳程度。因此,目前已用来制作手术刀片、止血钳、剪刀、电动骨钻、镊子等等。
医用钛及钛合金材料的优势已经被医学界认可,也被越来越多的患者接受,考虑到战争的因素、运动创伤的因素和人民生活水平提高的因素等,首选钛及钛合金作为人体植入物的增长空间很大,势必成为钛应用发展中新的经济增长点。[8]
参考文献:
[1].戴世娟,朱运田,陈锋.新型医用β钛合金研究的发展现状及加工方法[J].重庆理工大学学报,2016,30(4):28-34.
[2].C.莱茵斯,M.皮特尔斯.陈振华等译.钛与钛合金[M].北京:化学工业出版社,2005.
[3].公开资料-维基百科,百度百科.
[4].张文毓.生物医用钛合金的研究进展[J].化学与黏合,2014,35(5):369-373.
[6]草道英武.金属钛及其应用[M].北京:冶金工业出版社,1989.
[7]王涛,戴品强,项忠楠,等.生物医用Ti-Nb-Sn合金的超弹性[J].材料科学与工程学报,2008,26(6):940-945.
[8].李红梅,雷霆,方树铭,黄光明.生物医用钛合金的研究进展[J].金属功能材料,2011,18(2):70-73.
