北京中国食品药品检定研究院李崇崇，王健，王春仁，李静莉
李崇崇，硕士，助理研究员；研究方向：无源医疗器械物理性能检验
钛合金材料因为其优异的生物相容性和力学相容性而被大量的研究开发，成为骨科植入物的主要原材料。制备与人体组织有更好的相容性、更接近于人体的弹性模量的新型低模量钛合金已经成为该领域研究的热点。本文从新型低模量钛合金材料设计、研究现状及其骨科植入临床前研究几个方面进行了综述，总结了近几年国内外低模量钛合金骨科植入物材料的最新进展，展望了未来发展趋势及待解决的问题。
关键词：低模量钛合金；骨科植入物；生物及力学相容性；临床前研究
临床上由外伤、肿瘤、老龄化及其他因素所致的骨、关节损坏，往往需要用钢板、螺钉、人造关节等来建立稳定的骨支架。目前，临床上常用的金属骨科植入材料主要包括不锈钢、钻合金和钛合金。其中，钛合金由于其弹性模量更接近人体骨组织，加上良好的生物相容性以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心。医用钛及其合金的发展可分为三个时代：第一个时代以纯钛和Ti-6A1-4V为代表；第二个时代是以Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb为代表的新型α＋β型合金；当前所处的第三个时代，则是开发与研制更好生物相容性和更低弹性模量钛合金时代，其中以β型钛合金研究最为广泛。１低模量钛合金材料的设计骨科植入物植入人体后，将长期地处于人体的复杂环境中，不可避免地要经受生命活动过程中体内的物理、化学以及生物学等多种综合因素的长期作用。这种相互的作用不仅能使植入物产生形变，更重要的是还有可能对人体造成各种危害。因此，医学临床要求医用钛合金材料必须具有多方面的综合优良性能，其具体体现分为以下几个方面：1）耐腐蚀性耐腐蚀是指材料植入生物体后对在生物体液介质中发生的一系列化学反应而引起的表面、内部腐蚀，以及植入物离子进入到生物体体液的抵抗能力。骨科植入物植入人体后，处于长期浸泡在含有有机酸、碱金属或碱土金属离子（Na+K+Ca2+）、CL离子等构成的恒温（37°C）电解质环境中，加上蛋白质、酶和细胞的作用，会对金属产生腐蚀主要的腐蚀类型为一般性的均匀腐蚀和点腐蚀、缝隙腐蚀、疲劳腐蚀及应力腐蚀等局部腐蚀。腐蚀不仅会使植入材料的力学性能严重下降，导致植入的失败，腐蚀产生的离子、氧化物、氯化物等还会引起局部的炎症、过敏和中毒反应由于表面氧化膜的稳定存在，钛在腐蚀介质中具有优异的耐腐蚀性能，仅在浓度较高的加热还原性酸中才会发生剧烈腐蚀。正常人体体液NaCl浓度为0.9%,pH值为7.4,外科手术会导致pH值在7.8~5.5之间波动，但几天后恢复正常水平。在这种环境中，一般的钛合金材料都具有良好的耐腐蚀性能。2）生物相容性生物相容性是指材料与生物体之间相互作用后产生的各种复杂的生物、物理、化学等反应的一种概念。生物相容性包括血液相容性、组织相容性和力学相容性，即材料分别与心血管系统和血液直接接触、与生物组织或器官直接接触的相容程度是否会造成毒害作用，以及材料植入体内后承受的负荷和与植入部位组织弹性形变相协调的性能。金属材料对组织的毒害作用主要是取决于其由于腐蚀而释放的金属离子类型及释放速度。生物相容性的优劣是生物医用材料研究设计中首要考虑的重要问题。纯钛及其合金的出色生物相容性主要归功于其表面附着的氧化层’气TiO2不仅具有较低的毒性，在水中的溶解度也很低，而Ti（IV）w与生物分子反应的活性很低，接近于化学惰性。3）低弹性模量低弹性模量是针对材料力学相容性提出的，取决于金属原子的本性和晶格类型。当材料植入人体后，由于人体的运动，会与周围的骨组织发生拉压和弯曲等力的作用。由于通常金属材料的弹性模量要高出人体骨弹性模量一个数量级，所以导致力不能够很好地传递给相邻的骨组织，从而产生“应力屏蔽”，这将使得种植体周围出现骨吸收，引发骨组织厚度下降和骨质疏松，最终引起种植体松动或断裂，导致种植失败。因此，要尽量降低金属植入物的弹性模量，缩小其与骨组织之间的弹性模量差距，以减少应力屏蔽现象对骨组织的损伤。
4）良好的力学性能力学性能主要指强度、塑性、疲劳性能和耐磨损性能。骨科植入物植入人体后主要是作为受力器件植入的，必然会承受人体的重量和运动造成的应力，例如人工髄关节，每年将承受约3.6x次几倍于体重载荷的冲击和磨损，因此，材料必须具有一定的强度、塑性以及优良的疲劳性能和耐磨性能。钛的密度较小，约为钢的一半，但是钛及钛合金的强度却与优质钢相当，因此钛和钛合金的一个显著优点就是比强度很高，是一种很好的热强合金材料。自20世纪40年代开始，经过众多科研工作者的不懈努力，大量的生物钛合金材料被开发出来。20世纪90年代，人们开始研发不含有毒元素、高强度、低模量的第三代新型β型（包括全β型、亚稳β型、近β型或称富α＋β型）医用钛合金。但是，目前所开发的β型钛合金依然存在着一些问题，比如合金冶炼高熔点、原材料价格昂贵、金属表面改性等，使其不能满足生物工程的广泛应用需求。因此，业界相关的工作者通过各种合金成分设计和熔融技术，不断地对务型钛合金进行优化设计，力求设计出更适合生物工程使用的钛合金材料。2新型低模量钛合金材料研究现
目前，国内外已报道的各类新型医用钛合金多达近百个，合金设计包括二元系到六元系合金，合金元素涉及近20个。大量的研究表明，生物相容性元素Nb、Zr和Ta的严格应用可使钛合金的潜在组织反应达到最小，同时获得较低的弹性模量。Zr、Nb、Me、Sn能够使Ti基体强化而对塑韧性的不利影响较小，同时对降低弹性模量有利。但是，Zr、Sn、Mo、Nb、Ta等元素对多元钛合金强度、塑性和模量等理化性能的影响，与其在合金中配比存在非线性或定量依存关系，不同元素对合金性能的影响各不相同，而力学性能随着合金成分的变化显得更加复杂，因此，需要严格选择和控制合金元素特别是β相稳定元素及配比，并