鈦（Ti）和鈦合金由于具有比強度高、彈性模量低、耐蝕性強以及生物相容性好等優(yōu)良的綜合性能，被視作是繼不銹鋼、鈷鉻合金之后用于人體組織修復和替代的一種理想外科植入材料，廣泛應用于植介入材料、手術器械、醫(yī)療裝置、制藥設備等生物醫(yī)藥領域。

一、生物醫(yī)用鈦合金的種類與特性

1.生物醫(yī)用鈦合金的種類

作為生物醫(yī)用的鈦及鈦合金主要分為以下幾種。

（1）純鈦

純鈦是單相（α相）組織，不能通過熱處理強化，根據雜質元素碳、鐵、氧等含量不同而分級。醫(yī)用純鈦耐蝕性能優(yōu)異、彈性模量接近于自然骨、生物相容性優(yōu)良，自20世紀30年代開始用于醫(yī)學領域，用作接骨板、牙種植體、人工顱骨網等醫(yī)療器械，以及心臟起搏器和放射治療裝置等醫(yī)療設備部件的制作。

（2）醫(yī)用鈦合金

醫(yī)用鈦合金可分為3類，即α鈦合金、α+β鈦合金、β鈦合金。醫(yī)用鈦及鈦合金的應用和發(fā)展歷程可分為3代。第1代是以純鈦和Ti-6鋁（Al）-4釩（V）為代表，由于具有比不銹鋼和鈷鉻合金更優(yōu)異的生物相容性、耐蝕性和力學性能，早期作為外科植入材料廣泛使用。第2代是α+β鈦合金，以Ti-5Al-2.5鐵（Fe）和Ti-6Al-7鈮（Nb）為代表，這些合金不含對身體有毒的元素V，且具有與Ti-6Al-4V相似的力學性能，在外科領域得到應用。日本和英國等先后開發(fā)出一系列具有優(yōu)良生物相容性的α+β鈦合金，如Ti-15Zr-4Nb-4鉭（Ta）-0.2鈀（Pd）、Ti-15錫（S n）-4N b -2T a -0.2P d等，這些合金的耐磨性能、抗疲勞強度和耐腐蝕性能均優(yōu)于Ti-6Al-4V。第 2代醫(yī)用鈦合金雖然較第1代有較大進步，但仍含有潛在細胞毒性的Al、Fe等元素，生物相容性欠佳，其彈性模量較人體骨骼偏高，應力屏蔽無法消除，同時其強韌匹配、抗疲勞、耐磨耐蝕性仍需提高。

第3代主要開發(fā)的是β鈦合金。與α+β鈦合金相比，β鈦合金具有更好的生物相容性和耐蝕性、更低彈性模量。獲得β鈦合金的主要思路是用鋯（Zr）、Nb、Ta、Pd和Sn作為合金元素來減少或消除Al、V元素的不利影響，迄今人們已開發(fā)出了Ti-鉬（Mo）、Ti-Nb、Ti-Ta和TiZr等新型介穩(wěn)β鈦合金系列，有Ti-12Mo-6Zr-2Fe、Ti-15Mo-5Zr-3Al、Ti-15Mo-3Nb-0.3O、Ti-13Nb-13Zr、Ti-15Mo-2.5Nb-0.2硅（Si）、Ti-35Nb-5Ta-7Zr、Ti-15Mo、Ti-24Nb-4Zr-8Sn等。

（3）記憶合金

近等原子比Ti鎳（Ni）形狀記憶合金在醫(yī)療領域得到了廣泛的應用。典型應用有骨科器材（加壓騎縫釘、髓內釘、內固定器）、齒科材料（牙齒正畸絲、根管挫）、介入材料（心腦血管支架、導絲）等。為了進一步提高合金的形狀記憶效應，很多材料開發(fā)者研究了富Ni或富Ti的TiNi形狀記憶合金并取得了一定進展。

人們在有些Ti-Mo基和TiNb基β鈦合金中也發(fā)現了形狀記憶效應和超彈性。研究表明，通過調控鈦合金中穩(wěn)定β相元素的含量，能夠改變馬氏體轉變的起始和終了溫度。當發(fā)生馬氏體相變的應力小于導致合金位錯滑移所需的應力時，還會產生應力誘發(fā)馬氏體相變，這種馬氏體相使合金具有超彈性性能。

2.生物醫(yī)用鈦合金的特性

生物醫(yī)用鈦合金具有如下特性：

①比強度高。鈦合金具有較低的密度和適中的強度，能滿足骨、關節(jié)、手術器械等醫(yī)療器械的強度要求，同時鈦制醫(yī)療器械相對輕巧，大幅度減輕了人體負荷量，使用者舒適度高。

②力學相容性好。鈦及鈦合金的彈性模量遠比不銹鋼、鈷鉻合金等更接近人體骨骼，彈性模量可降低至40～100GPa，可減少人體骨頭對植入物的應力屏蔽效應，與人骨匹配性好。

③耐蝕性能好。鈦合金表面有一層薄薄的氧化膜，化學穩(wěn)定性好，抗體液腐蝕，適于身體各部件使用。

④生物相容性好，無毒性、無致敏性。

⑤加工成形性良好，適于制成板、棒、絲、網、管、異型件等。

此外，鈦合金具有低X射線吸收率，X射線可視性好，且大多對磁場不敏感，不受電磁場和雷雨天氣的影響，不會對患者X射線和核磁共振成像（MRI）檢查造成影響；鈦鎳合金還具有獨特的形狀記憶功能和超彈性?；谝陨咸匦遭伡扳伜辖鸪蔀閼梅秶鷱V泛的生物金屬材料。

表1中給出了幾種典型的醫(yī)用鈦合金與其他生物材料，如316不銹鋼、Co-Cr-Mo和人骨的力學性能對比。

二、鈦合金在生物醫(yī)藥領域中的應用

由于具有優(yōu)異的綜合性能，鈦及鈦合金在生物醫(yī)藥領域廣泛應用于植介入材料、手術及康復器械手術器械、醫(yī)藥設備等，如表2所示。

1.植介入材料

作為植入體內的承力部件，植介入材料必須具有一定的強度，同時需要有好的撓度和與人體匹配的彈性模量，以避免材料在體內的斷裂失效。通過合金設計、材料制備及隨后的熱機械處理等工藝過程，鈦合金能夠符合醫(yī)用力學性能要求，加之具有比強度高、耐腐蝕和生物相容性良好等特點，在骨科、牙科、介入科、心外科等領域得到了廣泛應用，用于制造接骨板、矯形絲、種植體及介入器材等。隨著鈦合金器械設計制造和醫(yī)療診治技術的不斷進步，對醫(yī)用鈦合金的需求越來越大。

2.手術及康復器械

鈦合金作為手術器械具有以下優(yōu)勢：器械輕巧，可緩解醫(yī)生疲勞，減少患者機體損傷；耐蝕無毒，傷口不易感染、愈合快；彈性適度，適合做手術鉗、手術鑷、縫合針線；反光性能弱，適合在無影燈下操作。因此鈦合金手術器械受到了外科醫(yī)生的青睞。

由于具有比強度高、使用輕捷、耐蝕性強等優(yōu)點，鈦合金也用于制作輪椅、拐杖、夾板等康復器械。

3.醫(yī)藥設備

醫(yī)藥生產過程中會使用酸堿鹽等化學物質，這就對制藥設備的耐腐蝕性能提出了高要求。由于鈦合金耐腐蝕、比強度高、傳熱性好，所以使用鈦材制造的反應罐、換熱器、冷凝器、多孔過濾器等制藥設備，一方面大大緩解了關鍵制藥設備部件的腐蝕，另一方面也提高了生產效率和藥品質量，在鎮(zhèn)痛消炎藥、維生素、麻醉藥和制藥原材料的生產過程中得到廣泛應用。

此外，鈦合金因質輕、耐蝕、無磁等特點，成為核磁共振設備部件、醫(yī)用紅外線裝置制造的優(yōu)選材料。

三、鈦合金在生物醫(yī)學領域的應用現狀

1.應用概況

20世紀30年代，Bothe等學者將鈦、不銹鋼和鈷（Co）-鉻（Cr）合金分別植入鼠的股骨中，分析了多種金屬種植體與骨之間的反應，發(fā)現鈦與骨無不良反應，開辟了鈦合金在生物醫(yī)用材料領域的新時代。自20世紀60年代開始，以純鈦和Ti-6Al-4V為代表的鈦合金在生物醫(yī)用材料領域得到了廣泛的發(fā)展和應用。美國從20世紀80年代開始研制無V和Al鈦合金，并將其用于矯形手術，至今已有 5種β鈦合金被推薦至醫(yī)學領域，即Ti-12Mo-Zr-2Fe、Ti-13Nb-13Zr、Ti-15Mo-2.5Nb-0.2Si、Ti-16Nb-9.5Hf和Ti-15Mo。

我國從20世紀70年代始致力于生物醫(yī)用鈦合金的研制與開發(fā)，走了一條從仿制為主，既創(chuàng)新又仿制，到以創(chuàng)新研制為主的發(fā)展道路。北京有色金屬研究總院率先采用純鈦制造人工股骨并用于臨床，研制出Ti-6Al-7Nb、Ti-5Al-2.5Fe鈦合金，以及低彈性模量的Ti-Nb-Zr-Ta-Sn和Ti-Nb-Al-Sn-Si新型β型鈦合金；西北有色金屬研究院研制出TiAl-Mo-Zr近α型鈦合金、Ti-ZrMo-Nb和Ti-Zr-Sn-Mo-Nb近β型鈦合金，中國科學院沈陽金屬研究所開發(fā)出Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn新型低模量近β型鈦合金。

近年來，我國在醫(yī)用鈦合金產業(yè)化方面也取得了長足進步，代表性企業(yè)有寶鈦股份、寶鋼股份、西部超導、有研醫(yī)療、創(chuàng)生醫(yī)療器械（中國）有限公司、威高集團有限公司、西安賽特金屬材料開發(fā)有限公司、常州康輝醫(yī)療器械有限公司、百慕高科等。

為提升我國醫(yī)用鈦合金的整體技術和質量控制水平、規(guī)范鈦合金在醫(yī)療器械領域的使用，在國家有關部門的主持下，我國有選擇、有步驟地轉化了部分相關ISO和ASTM標準，如YY 0117（外科植入物骨關節(jié)假體鍛、鑄件Ti6Al4V）、GB/T 13810（外科植入物用鈦及鈦合金加工材）、GB 23102（外科植入物金屬材料Ti-6Al-7Nb合金加工材）、GB 24627（醫(yī)療器械和外科植入物用鎳-鈦形狀記憶合金加工材）和YY/T0988.2（外科植入物涂層第2部分：Ti/Ti6Al4V合金粉末）等，逐步建立并完善我國醫(yī)用鈦合金標準體系。

2.應用研究進展

在開發(fā)生物醫(yī)用鈦合金材料的過程中，人們始終圍繞不斷提高其生物相容性、力學相容性及有效性來開展研究工作，以達到在實現其替代和修復功能的基礎上，毒副作用更小，使用更舒適、壽命更長的目的。目前主要通過優(yōu)化合金成分、制備工藝和表面改性等手段來提高鈦合金材料的綜合性能。

（1）合金成分設計

材料研究人員針對不同的目的，進行不同的合金成分優(yōu)化。通過選擇不含人體有害的元素如Zr、Ta、Mo、Nb、Sn，降低有毒元素含量，可以提高生物相容性；研制具有更低彈性模量的新型鈦合金，迄今為止在鈦合金中獲得的最低彈性模量是在Ti-Nb-Sn系合金中得到的，約為40GPa；同時通過適當的合金化，輔以適當的后續(xù)處理還可以改善材料的力學性能和耐磨耐蝕性能。

（2）材料制備工藝

近年來，研究者們通過粉末冶金、等通道擠壓、高壓低溫燒結、激光燒結成形等制備工藝分別得到了多孔材料、超細晶材料、納米材料和激光成形材料等新型鈦合金材料，可滿足不同的應用需求。

①多孔材料

與致密鈦相比，多孔鈦內部具有三維連通結構，新骨細胞組織可在植入體內生長及體液傳輸，有利于成骨細胞的粘附、增殖和分化，而且多孔鈦的彈性模量更低，可有效降低人體骨頭對植入物的應力屏蔽效應，提高舒適度和使用壽命。目前多孔鈦的制備工藝主要包括粉末燒結法、漿料發(fā)泡法、自蔓延高溫合成法、粉末注射法、金屬沉積法、凝膠注模法、纖維燒結法以及快速成型法等。

中南大學阮建明等采用不同方法制備出不同孔隙度的TiNi合金，其中利用真空燒結制備多孔TiNiNb合金，降低了Ni的含量，抗拉強度和彈性模量均隨Nb增加得到有效提高，同時礦化能力和生物安全性也得到一定提高。模板浸漬法可以通過調整粉末含量、模板等參數獲得與人骨接近的孔隙和力學性能，呈現出良好的磷灰石沉積能力和界面結合力。

四川大學李虎等應用漿料發(fā)泡法，通過孔隙優(yōu)化，成功制備出力學性能與骨匹配的多孔鈦，有望成為承力部位骨缺損的修復材料。安泰科技劉超等采用金屬粉末注射成形，利用水溶性注射料，獲得了相對密度為95.7%的純鈦燒結件，其化學成分以及力學性能滿足ASTM外科植入用金屬注射成形純鈦部件標準的要求，為鈦合金在形狀復雜零件中的應用提供了可靠的加工方法。

②復合材料

制備醫(yī)用鈦基生物活性材料的重要方法之一是從復合材料設計思想出發(fā)，通過不同工藝將生物活性材料與鈦復合成生物活性復合材料，如通過粉末冶金法、等離子噴涂法、溶膠-凝膠法、電化學法、激光熔覆法、磁控濺射法、仿生礦化法等在鈦合金表面涂覆活性陶瓷涂層。

昆明理工大學朱心昆等選擇了SiO2/ZrO2/Nb2O5三種具有良好生物相容性的氧化物顆粒，通過粉末冶金的方法制備的顆粒增強型鈦基復合材料，具有良好的生物相容性和細胞粘附，類成骨細胞在鈦基復合材料上的生長和繁殖情況均好于純鈦，在骨組織植入材料領域很有發(fā)展前景。

③超細晶和非晶材料

第四軍醫(yī)大學口腔醫(yī)學院張強等通過等通道擠壓（ECAP）模具制備超細晶純鈦，結果表明純鈦經ECAP處理后，晶粒明顯細化，力學性能得到提高，生物相容性良好，為改性后純鈦在口腔修復中的應用提供了參考。但等通道擠壓過程中制備溫度對晶粒大小的影響還不能控制自如，制備材料的速度以及數量還有待改進。江蘇大學許曉靜等研究表明：同樣經過電化學拋光之后，超細晶純鈦材與常規(guī)純鈦材相比，表面蝕坑尺寸更小（納米尺度），抗電化學腐蝕性能更高，摩擦系數更低、耐磨性更好，生物活性更高。分析認為性能變化是純鈦材組織超細化提高其晶體缺陷（內能）所致。

鈦基非晶態(tài)合金的出現，為改善合金的力學相容性提供了一種可能。目前制備出的鈦基非晶合金體系有Ti-Ni-Cu、Ti-Zr-Ni-Fe等。湘潭大學林建國等開發(fā)了一種Ti-ZrTa-Si-Sn非晶合金，并采用甩帶法制備出了該非晶合金薄帶，用機械球磨法制備了非晶態(tài)粉末，并采用高壓低溫燒結法制備出了塊體非晶合金。

④納米材料

江蘇大學機械學院采用獨創(chuàng)的多步式快速小位移高壓變形制備技術和等通道轉角剪切變形制備工藝，制備出性能高、尺寸大的塊狀納米鈦（棒材、板材），強度和塑性都明顯超過通用鈦合金。

⑤激光成形材料

激光快速成形法，又稱3D打印技術，即粉末在激光作用下快速熔融并逐層堆積出所需構件，它綜合了快速成型技術和激光熔覆技術的優(yōu)點，材料利用率高、加工便捷、效率高，有利于實現設計制造一體化。

西北工業(yè)大學楊海歐等人采用激光成形法制備了多孔鈦合金材料，通過調節(jié)工藝參數可得到孔隙率不同的多孔鈦塊體，拉伸性能介于160～350MPa之間。北京科技大學頡芳霞等提出了一種復雜形狀生物醫(yī)用多孔鈦鉬合金植入體的制備方法，選用鈦、鉬與高分子粉末，通過三維建模、激光燒結、熱脫脂和真空燒結，制備出孔隙均勻可調、力學性能優(yōu)良的多孔鈦鉬合金植入體。

（3）表面改性

鈦合金的生物惰性使得其與人體組織之間只能形成機械鎖合，而非化學鍵結合，同時由于生理環(huán)境的腐蝕而存在金屬離子向周圍組織擴散及植入材料自身性質蛻變的可能，導致植入體使用壽命降低，并對人體產生毒副作用。為解決這個問題，可通過機械、物理、化學等表面改性的方法改變鈦植入體表面氧化鈦膜的結構、化學成分等，提高生物相容性、生物活性和耐磨耐蝕性，如表3所示。

骨科鈦合金常用的功能化修飾是在假體表面固定經基磷灰石、陶瓷、生物玻璃等，借助于組成成分的梯度與孔隙梯度變化設計，在基體與涂層表面之間形成逐漸過渡的功能梯度，以顯著提高材料的機械強度和生物骨誘導能力，促進人工關節(jié)和骨骼的緊密骨整合，盡快恢復肢體功能。佳木斯大學王靜等采用微弧氧化-電化學沉積方法在鈦基材表面構建含有鈣、磷的粗化、活化種植體表面，樣品表面潤濕性、結合強度明顯提高，涂層與基體結合緊密，涂層具有優(yōu)良細胞增殖特性和基因表達水平，體內成骨性能優(yōu)良，可望成為一種可控制備鈣/磷生物活性涂層的方法。此外為預防和治療感染，促進新骨形成，骨科鈦合金的抗菌藥物、生長因子、酶修飾也正逐漸受到重視。

大連理工大學姚再起等對鈦表面進行高能噴丸預處理和微弧氧化后，氧化層中鈣磷百分含量提高，與基體形成微機械咬合，從而提高了純鈦表面的生物活性，以及與基層的結合力。Takemoto等通過長期動物試驗發(fā)現，稀鹽酸-堿熱處理不但有效去除了多孔鈦表面的鈉離子雜質，還形成更多蝕坑和氧化鈦，從而提升了材料的生物活性和骨誘導能力。天津醫(yī)科大學鄧嘉胤等研究表明，純鈦在含氯化物的電解液中經表面改性后，其表面變得更加粗糙，并且有一氧化鈦（TiO）、二氧化鈦（TiO2）和三氯化鈦（TiCl3）等相生成，具有良好的抗菌活性和生物相容性。

西安建筑科技大學唐長斌等采用瞬態(tài)電能強化技術，以石墨為電極對Ti-6Al-4V合金進行表面改性，氮氣保護下得到裂紋較少、具有一定粗糙度、耐磨、生物相容性好且與基體為冶金結合的強化層。浙江大學醫(yī)學院楊國利等應用層層靜電自組裝技術在Ti-6Al-4V合金表面構建多層精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸薄膜，可有效促進新骨細胞生長，增加界面結合力。

鈦鎳記憶合金可通過表面改性降低鎳離子釋放，提高生物相容性。蘇向東等采用離子鍍、表面去合金化、磁控濺射、Sol-Gel法、分子自組裝、熱氧化等技術在鈦鎳記憶合金表面制備TiN、納米二氧化鈦膜、DLC、殼聚糖/肝素鈉、PEI/肝素鈉，經溶血率和血小板黏附等一系列生物相容性評價，結果良好。解放軍總醫(yī)院汪愛媛等對鈦鎳記憶合金植入物進行TiNb涂層和Ti涂層表面修飾，以屏蔽Ni離子釋放，研究結果表明，鈦鈮涂層不會影響TiNi的超彈性和記憶效應，且具有比Ti涂層和無涂層鈦鎳記憶合金更佳的骨組織生物相容性。

四、鈦合金在生物醫(yī)學領域的應用展望

隨著國民經濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，人口老齡化趨勢日益凸顯，疾病和意外傷害逐年增加，作為人體組織和器官再生與修復材料重要分支的生物醫(yī)用鈦合金材料存在著巨大的市場前景。

應該清醒地認識到，我國在生物醫(yī)用鈦合金材料設計、制備加工、表面處理、產品設計與制造等方面與世界先進水平還存在著一定的差距，長壽命、多功能、輕量化、低成本和安全有效將是生物醫(yī)用鈦合金應用研究的重要方向，在今后應用中有以下問題值得重點關注。

1.優(yōu)化醫(yī)用鈦合金成分設計

通過改善已有合金體系和開創(chuàng)全新合金體系，開發(fā)低彈性模量、強韌性合理匹配、耐磨耐蝕、抗疲勞、具有優(yōu)良生物和力學相容性，可滿足人體軟、硬組織修復與替代臨床應用的新型醫(yī)用鈦合金材料。

2.創(chuàng)新醫(yī)用鈦合金材料制備方法

建立和完善醫(yī)用鈦合金材料加工制備的先進理論和方法，不斷深化或創(chuàng)新材料的多孔化、微納化、非晶化、超細晶化的制備方法，通過新型制備方法獲得特殊組織和結構，賦予材料生物功能化和智能化，實現醫(yī)用鈦合金材料的優(yōu)化升級。

3.拓展醫(yī)用鈦合金表面改性研究

通過鈦合金與基體金屬之間和與人體組織或體液之間雙重界面的作用機制研究，尋找和篩選各種無機材料、高分子材料和細胞因子對鈦合金表面進行修飾，改善其表面特性和結構構造，提高耐磨耐蝕性、生物相容性和生物活性等使用性能。

4.提升材料生產加工技術水平

目前醫(yī)用鈦合金厚壁管、鈦鎳合金毛細管等國產加工工藝還不很成熟，大都需要從國外進口，因此尤其需要我們掌握鈦合金材料加工核心關鍵技術，加強質量控制體系建設，提升產品性能一致性，降低加工制造成本，進一步滿足醫(yī)用鈦合金產品的制造需求。

5.強化產品設計和加工成形

將精密鑄造、精密數控加工、微型機械加工等先進加工技術用于醫(yī)療器械的加工是大勢所趨，特別是數字化三維重建技術更是近年來人們所關注的熱點，該技術根據患者缺損情況，借助三維CT檢查結果，模擬自然形態(tài)，依托CT數據處理進行醫(yī)學三維重建，經過自然曲面的表面繪制、計算機圖形圖像輔助設計和鈦合金數字制造等程序，為患者精確設計并通過激光成形技術預制出個性化器械，具有可定制、吻合性強、工序少、周期短等優(yōu)點。這是一次革命性的進步，標志著鈦合金器械進入數字化時代，將成為鈦合金生物醫(yī)藥領域的重點發(fā)展方向之一。