1.发展历史及现状

(1)世界情况

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，英国较早使用了纯金板修补颅骨及镶牙，其后陆续采用了银、铁片、铁丝及铁基合金的固定骨折关节件。1930年以后开始使用钴基合金作为人体植入物，第二次世界大战期间，随着临床治疗的需求扩大，许多国家使用了大量的不锈钢作为人体植入物。随着稀有金属工业的发展，铌、锆、钛开始用于临床治疗。

20世纪50年代，美国和英国首先将工业纯钛用于生物体，1950年英国使用钛制作人工股骨头，日本也由用镍铬合金改用钛合金作人工骨关节。实践证明，以前凡是使用不锈钢和钴基合金制成的各种类型的外科用植入物，均可用钛来制作。日本用ST60(工业纯钛2级)、STA130(Ti-5A1-3Mn)钛代替其他材料来制作补形器件，效果良好。他们还用钛合金和 STA130钛制造了髋关节。20世纪90年代，仅美国每年采用的金属人体植入件达200万件以上，其中髋关节、股骨件达5万件以上。90年代中期，钛工业迅速发展，为外科临床治疗提供了更多高质量的钛及钛合金制品。研究证明，钛及钛合金具有优异的生物相容性，大量临床应用实例证明，钛及钛合金作为人体植入件的效果是最好的，所以，治疗范围扩大，用量显著增加。目前世界上每年有大量的钛及钛合金制品被植入人体内，其中约占80%是Ti-6A1-4V 合金。

(2)国内情况

中国采用金属材料用于外科植入物的工作起步也较早。1958年上海第一医学院华山医院用牙托粉和不锈钢内钉制成的人造股骨头，在风湿性髋关节强直的病人中使用1959~1960年使用镍饹不锈钢制成的人造股骨头治疗陈旧性股骨颈骨折和股骨头坏死的病人，在临床治疗中发现用牙托粉和不锈钢内钉在结合处有折断迹象。1972年起，开始采用国产钛及钛合金人造骨与关节用于临床治疗。北京有色金属研究总院是国内最早研究钛人工关节的单位之一，于1973年生产了300个工业纯钛人工股骨和髋关节用于临床。北京积水潭医院、中国人民解放军总医院(301医院)、上海人民医院、上海华山医院、天津医院、沈阳骨科医院、西安第二军医大学附属医院等十几家医院，先后进行了钛及钛合金人造骨与关节的临床应用和研究。

1976年唐山地震后，宝鸡有色金属加工厂(现宝钛集团)为救治伤员捐赠了100 套钛合金人工关节毛坯。其后相当长一段时间内，宝钛集团一直是医疗器械原材料Ti-6A1-4V棒材料的国内提供者。1985年以后，国产钛及钛合金加工材用于制造人体植入物的数量不断增加，其中钛形状记忆合金的开发与应用达到国际先进水平。20世纪90年代中期，国产钛及钛合金加工材，在矫形外科、神经外科、心血管系统、口腔颌面外科、人体外培养机等方面获得广泛应用。1998年，天津市医疗器械工业公司骨科器械二厂首家取得国家医药管理局颁发的“钛质接骨板”和“钛质接骨螺钉”的试产注册，成为钛植入物生产企业。近5年又有天津市威曼生物材料有限公司、北京奥斯比利克新技术有限公司等一批企业成为钛及不锈钢等人体植入物生产企业。采用钛及钛合金制造的股骨头、髋关节、肱骨、颅骨、膝关节、肘关节、肩关节、掌指关节、颌骨以及心瓣膜、肾瓣膜、血管扩张器、夹板、假体、紧固螺钉等上百种金属件移植到人体中，取得了非常好的效果，被医学界给予了很高的评价。

2. 主要的医用金属材料

金属材料用于人体硬组织修复和替换，或用于心血管和软组织修复以及人工器官的制造，是一种与人的生命和健康密切相关的特殊功能材料。在生物系统中，金属材料受到与其接触的液体，有机分子、酶、自由基等影响，发生了腐蚀而造成金属离子向周围扩散导致毒副作用；金属材料自身的降解产物也会改变邻近液体的pH值和组成，并使自身性质蜕变而导致植人失效，这成为医用金属材料要解决的主要问题。一般金属材料力学性能优良、易加工，但其化学成分组成与人体组织成分相距甚远，很难与生物组织亲合。目前，广泛应用的金属材料如下：

① 医用不锈钢，属于铁基合金钢，常见的有奥氏体不锈钢，如:AISI316、AISI317:在临床应用中由于碳含量的影响导致发生晶间腐蚀，其后开发出超低碳不锈钢，如AISI316L、AISI317L，仍然没有解决在生理环境中的抗腐蚀问题，作为人体植入物的稳定性不理想。

② 医用钴基合金，在生理环境中以其优异的耐腐蚀性能、良好的综合力学性能和生物相容性被临床应用，但是引起过敏反应的问题却一直没有得到解决。

③ 医用钛及钛合金，在医疗领域中已经成为首选的优质金属材料，广泛应用。

钛及钛合金具有优异的使用特性，被世界公认是医疗领域中优异的金属材料，同使用不锈钢、钻基合金等金属材料相比较，具有较大的应用优势。

3. 钛及钛合金作为医疗器械材料的优势

①密度小。钛及钛合金的密度仅为不锈钢的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。

② 强度高、韧性好、弹性模量低。人因外伤、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，所以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Ti-6A1-4V 合金，其室温抗拉强度 TA2不小于440MPa，TC4不小于 895MPa，完全可以满足人体植入物的要求。

钛及钛合金的弹性模量低，纯钛为1085MPa，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，因此钛合金肘关节，踝关节在人体矫形手术中广泛应用。

④ 形状记忆功能。可用做脊柱矫形棒、骨钉、内固定器、内支架等。

⑤ 超弹性，适于做矫形牙丝、缝合针等。

⑥ 钛耐蚀(化学稳定性好)，抗体液腐蚀，适于身体各部件使用。

⑦ 低X射线吸收率，医检时，X射线可视性好。

⑧无磁性，钛及钛合金是无磁性金属，不受电磁场影响，不受雷电影响，这有利于植人物植人人体后的安全。

⑨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。

⑩生物相容性好，钛及钛合金被称为是生物惰性金属材料，对于人体血液的浸泡环境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，这是钛及钛合金应用的基础条件，作为植人物不产生人体污染，不会发生过敏反应。