钛合金在生物医学方面的应用

钛和钛基复合材料的主要应用

2021/3/29星期一1钛于1791年由格雷格尔于英国康沃尔郡发现，并用希腊神话的泰坦为其命名。在地壳中，钛的储量仅次于铁、铝、镁居于第四位，它储量非常的丰富。钛的正真利用在20世纪五十年代，美国研制成功的Ti-6Al-4V合金。钛的性能：由于钛具有熔点高、强度大、韧性好、抗疲劳、耐腐蚀、导热系数低、高低温度耐受性好等优越性能，尤其是钛能和铁、镁、钼等其他金属溶合成性能优越的合金或复合材料。定义：钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。种类：α合金,(α+β)合金和β合金。中国分别以TA、TC、TB表示。钛合金的缺点钛合金主要限制是在高温与其它材料的化学反应性差，这容易造成模具的损坏，这就使钛合金的价格变得十分昂贵。这是钛合金无法发扬光大的最大致命伤。2021/3/29星期一2

目前，钛及其合金主要用于航天航空和军事工业上。据统计，钛在航空航天的应用约占钛总量的7左右。钛主要应用与军用飞机、民用飞机、航空发动机、航天器、人造卫星壳体连结座、高强螺栓、燃料箱、导弹尾翼等船舶行业钛合金在海洋条件下有着及其优良的耐腐蚀性能、高比强度、无磁等特点因而广泛应用于船舶行业。目前，钛在船舶上已经应用的部件有：耐压壳体、螺旋桨和桨轴、通海管道、阀门及附件、热交换器声学装置零件部件。体育器械在体育行业的应用正在兴起。目前主要应用于钛铸造的高尔夫球杆头，具有重量轻、强度大与不锈钢相比可以制作打击面与容积更大的球头，因而打得准，打得远。化工和能源化工、冶金、造纸、制碱、石油和农药工业是使用钛合金较早的行业主要用于耐腐浆泵、阀门、叶轮、阳极液槽、加热器、蒸发器等部件。其它行业，在建筑业中，钛的应用越来越广，主要应用与许多重污染的地方、都市和海滨地区的腐蚀问题得到很好的解决。比如日本建造的世界首例钛屋顶加利福利亚的塞里托斯千年图书馆的屋顶。农业和畜牧业、食品业和制药业中、核工业中、日常消费品中，钛用于制造手表壳、照相机外壳、野营用具、录放机、拐杖、剪子、剃须刀等等。日本星野乐器公司使用钛制作了鼓，，市场上出现了9克钛制的眼镜架。2021/3/29星期一3钛合金诸多领域应用的实例2021/3/29星期一4钛在生物医学方面的应用生物医用材料是用于对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的金属或合金，主要用于骨和牙等应组织的秀发和替换、心血管和软组织修复以及人工器官的制造。钛的物理性能具有密度低、比强度高、耐热及耐腐蚀性好、生物相容性优异等特点，此外钛及钛合金具有无毒、质轻、耐生物体腐蚀、弹性模量低及生物相容性优异等特点，成为理想的医用金属材料，被广泛应用于人体骨、人体关节、牙科、整形外科、心脏外科、体内支撑架及医疗器械等医学领先迄今为止，还没有看到比钛合金更好的金属材料应用于临床的了。美国、西欧等极其重视钛合金的研发工作，不断发出新型医用材料，扩大了台机器合金在医学领域的应用，满足了各类假肢、牙病患者康复的愿望。

作为生物医用材料的钛及其合金必须满足1.生物力学相容性：主要包括硬度、屈服强度、弹性模量和延伸性。如果植入物由于强度不高或者植入物与人体骨之间的机械性能不匹配而发生断裂失效，这就是生物不相容性。通常期望骨修复植入物的弹性模量与人体骨的弹性模量接近，人体骨的弹性模量在4~30GPa之间。2.生物相容性：作为植入物的材料应该对人体无毒性、在体内不会引起任何炎症和过敏反应植入物在人体植入成功主要取决于材料与人体的反应，这也能衡量材料的生物相容性。3.耐腐蚀和耐磨性能：在体液环境中，植入材料的有效使用时间取决于磨损性，耐磨性能差会引起植入物松动并且产生磨损碎屑，在沉积的组织中引起反应。4.骨结合性：植入材料表面由于微运动与人体骨和其它组织不能很好地结合，就会导致植入物在体内松动。植入物表面化学表面粗糙度和表面性毛豆对骨结合起着主要作用。2021/3/29星期一6医用钛合金材料

在医学领域中广泛使用的仍是Ti-6Al-4vELI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。例在日本已开发出一系列具有优良生物相容性的α+β钛合金，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，这些合金的腐蚀强度、疲劳强度和抗腐蚀性能均优于Ti-6Al-4vELI。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，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Ti-6Al-4VELI合金[28,32]。2021/3/29星期一7钛合金在医学方面的具体应用面部治疗当人体面部遭到严重破坏时，局部组织修复就要用外科植入人体进行。钛合金具有良好的生物相容性和所需强度，因此是人体面部组织修复的理想材料。纯钛网做为骨头托架已用于颚骨再造手术。介入性治疗

介入性治疗通常实在X射线图像监视下，利用穿刺插管技术将特制导管、支架等沿血管或体内其他管腔输送到体内病变处就地治疗。过去的316L不锈钢制的支架纵向柔韧性不太满意，而钛镍形状记忆合金支架具有偏向式力学效应和形体记忆效应，除此之外良好的冷加工成形性，更适合人体要求。

人体矫形

钛合金弹性模量比不锈钢更接近人体骨骼，因此钛合金肘关节、踝关节等被广泛用于人体矫形手术中。据报道每年世界上大约有一亿病人由于臂关节和膝关节炎症而进行替换治疗，因此钛制假肢应用前景广泛。2021/3/29星期一循环系统医疗器械钛通常被用在制作心率调节器和除颤器，它可以作为载体工具替代心脏本身某些功能，如心脏瓣膜。美国活性金属公司提供了一种钛材，用以制造主动脉瓣膜．外科医生把这种心脏瓣膜放在适当位置而不必进行缝合。在心脏起搏器中，密封的钛盒能有效防止潮气渗入密封的电子元器件。人工肺关键部位使用的微孔钛片作为气体扩散元件将氧气扩散到体外循环的病人血液中，将静脉血变成动脉血。2021/3/29星期一10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、敏感植入电子器械的破坏威胁；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、镊子等等前景及展望

钛合金具备生物医用材料所需的优异性能而大量用作人体植入物，特别是作为人体硬组织修复和替代的材料。关节置换是由例如骨质疏松症、骨关节炎和创伤等疾病引起的。据估计到2030年底，对长期有效的植入物需求增长巨大，全髋关节置换数将增长174%，全膝关节成形术预计增长673%。外科修复增长，由于各种原因引起的身体创伤增多。因此开发具有较长使用寿命和优异生物相容性的钛合金材料，应用前景广阔。