外科植入物对于钛合金的需求量近几年来呈现出快速增长阶段，对于植入物用钛合金的研究显得日益重要。外科植入金属主要包括不锈钢、钴基合金、钛合金三大类，此外还有少量的稀贵金属。医用不锈钢和钴基合金虽较早应用于临床，但它们普遍含有对组织细胞产毒副作用的Ni，Co，Cr元素，并且弹性模量相对于人体骨科差距较大（骨科弹性模量在10～40Gpa，医用不锈钢在180～250Gpa），这种弹性模量的差异容易导致植入物和骨骼之间发生“应力遮挡”，从而导致周围骨骼严重弱化，最终导致植入物的松动或断裂，因此临床应用呈下降趋势。Au，Pt，Ta，Hf等稀贵金属虽然耐蚀性较好，但价格昂贵。钛及钛合金具有比强度高、弹性模量较低、耐腐蚀、易加工成形、无磁性无毒等特点，特别是生物兼容性好，这些特征使得其成为不锈钢、钴基合金的优良代替材料。因此，钛合金已成为临床上用于人体硬组织修复与替代的理想功能结构材料。2022年医疗设备展Medtec China分享本文，主要从植入物用钛合金弹性模量、损伤容限和钛合金的表面改性技术这三个方面阐述了植入物用钛合金的发展过程，分析了我国当前对植入物用钛合金研究、生产现状基于此提出了植入物用钛合金未来的发展趋势及方向。

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钛合金植入物发展及研究现状

1.1. 钛合金植入物发展过程

从世界范围内看钛合金的植入物的发展大致可以分为三个阶段：

第一个阶段是以纯钛和Ti-6Al-4V为代表的α型初期阶段，随后出现了高损伤容限的TC4ELI合金，目前80%钛合金植入物仍然处于这个阶段。

第二个阶段是以不含V的Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb的α+β型合金阶段，在发展过程中发现AL元素在人体长期存在容易造成老年痴呆，后续相继开发出无AL、V的α+β型钛合金Ti-15Zr，Ti-15Sn。

第三个阶段以Ti-13Nb-13Zr、Ti-12Mo-6Zr-2Fe和Ti-15Mo-3Nb为代表的β或近β型钛合金的问世，由于这种β或近β型钛合金具有高强、高塑、低弹性模量的特点而被广泛研究，成功开发出来一系列的植入物用钛合金。

1.2. 钛合金植入物研究现状

1.2.1. 低弹性模量钛合金植入物的研究

植入物对弹性模量的要求较高，虽然钛合金的弹性模量相对较低在100～130Gpa之间，但是离人体骨组织的要求仍有一定的差距，因为开发低弹性模量的钛合金植入物势在必行，低弹性模量钛合金植入物的研究重点在于合金元素的设计。钛合金按照室温组织结构可以分为α、α+β、β型钛合金，经过综合的实验对比，β型钛合金具有较低的弹性模量和优良的抗腐蚀性能。按照各种合金元素对人体的影响程度，在钛合金植入物材料设计当中常用Kβ、d-电子合金理论稳定系数进行低弹性模量钛合金植入物的研究。

Kβ=C1/CK1+C2/CK2+C3/CK3······+Cn/CKn

式中Kβ为β稳定系数，C1，C2，C3，······Cn为钛合金中所含β稳定元素浓度，CK1，CK2，CK3，······CKn，为各β稳定元素的临界浓度，Kβ越大β稳定元素含量就越多，相数量越高。在低弹性模量钛合金植入物设计阶段Kβ>1.0。日本学者汤川夏夫和森永正彦提出了d-电子合金设计理论，该理论选用单一电子轨道参数Md（合金元素d的轨道能）来表征原子尺寸、电负性及诸多因素的综合影响。根据这一理论，Md值越小相越稳定，Bo值越大固溶强化效果就越好。

根据这一设计原理设计植入物用钛合金时还应当考虑在提升强度、降低弹性模量的同时还不能降低太多的塑性指标，根据d-电子合金理论的原理Al、Si、Sn这三种元素的加入使得塑性明显下降；Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ这三个副族元素的加入在固溶强化、降低弹性模量的同时，对钛合金的塑性影响较小。按照这种设计理论，设计出来Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr，在固溶状态下其弹性模量在60GPa，在固溶时效状态下，其弹性模量在80Gpa。目前报道的美国研制的低弹性模量钛合金Ti-12Mo-6Zr-2Fe和Ti-35Nb-5Ta-7Zr的弹性模量分别可以降到在75Gpa和55GPa左右，这些低弹性模量钛合金植入物的研究给后续的研究者指明了方向。

1.2.2. 高损伤容限钛合金植入物的研究

骨科植入物用钛合金作为人体组织的修复和替代在使用过程需要承受百万次的拉伸，弯曲和扭转载荷，承受的载荷远远大高于人体重，为了防止在使用过程中突然断裂，为了能够将性能更好的满足人体需求，可以通过调整生产工艺来调整内部显微组织来提升医用钛合金的损伤容限。

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20世纪90年代美国研制出新型钛合金Ti-12Mo-6Zr-2Fe（TMZF），其弹性模量降低到74MPa。以骨科植入物种用量最多的TC4ELI为例，目前其断裂韧度仅仅60MPa左右。通过大量的实验研究来看，医用TC4ELI通过合理生产工艺调整完断裂韧性可以达到98MPa。目前国内外相关植入物标准对医用植入物的断裂韧性限制较少，国内外研究医用钛合金损伤容限的报道也不多见，提升医用钛合金的损伤容限必然是未来发展的一个趋势。

1.2.3. 提升钛合金植入物生物相容性的表面改性研究

虽然钛和骨组织有良好的生物相容性，但是毕竟是两种物质成分截然不同，目前钛与人体骨组织仅仅是简单的机械相连并未形成强有力的化学结合，目前对于钛材植入物的表面改性研究越来越深入，通过钛材表面的改性使得钛合金植入物在生理环境中诱使磷灰石层在钛表层沉积，更好的提升其生物相容性。钛合金植入物表面改性主要有物理方法（浸涂法和等离子喷涂法）、化学方法（溶胶-凝胶法，碱热处理法，酸碱两步化学法等）、电化学（电化学结晶，电泳沉积和阳极氧化法）、生物化学方法。

生物化学法是新兴的对植入物钛合金表面改性的新方法，其利用细胞学和分子生物学方法将蛋白质、生长因子、酶及多肽等通过物理吸附、化学键合，及载体附着等方法结合到金属基体表面，构建新一代分子生物材料而产生所预期的生物效应。生物化学方法，目前仍处于起步阶段，其优势在于能直接有效提高钛植入物的生物活性，但在如何保证反应后生物分子的活性等方面还需大量的研究。

尽管钛植入物表面改性方法很多，并且各有优势，但是目前尚无单一的处理方式能够完全满足植入物的理想要求。因此在对于单一方法对其表面改性研究的同时应该考虑如何运用复合技术来发挥每种方法的最大优势，同时也避免单一方法的缺点。这样能够促使钛植入物与骨的早期、长效牢固结合，这将是钛合金植入物表面改性未来发展的方向。

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钛合金植入物国内现状

2.1. 我国对钛合金植入物的研发推广能力

我国对于植入物用钛合金的研究起步较晚，北京有色金属研究院、中科院金属材料研究所和西北有色院对植入物用钛合金进行了大量的研究，但是大多数仅仅停留在实验室研究阶段，并未在临床上推广使用。目前西方国家已经对于植入物用钛合金进行了多个标准的规定，其医用钛合金的发展已经进入到第三代产品，并应用到实际临床中。其中美国在20世纪60年代就颁布的第一个外科植入物用钛标准（ASTM FGT），截止至目前其医用钛合金的标准已经9种左右，产品不断处于升级换代阶段。而我国目前仍然停留在第一代医用钛合金，目前我国关于医用钛合金也仅仅有两个国标（GB/T 3621和GB/T 12471），其中β型钛合金目前尚没有颁布国标标准，高端钛及钛合金植入物仍然依赖进口。通过比较可以看出我国需要在植入物用钛合金进行深入的研究推广，加快临床测试速度并制定相关材料的国家标准，实现植入物用钛合金的自产自销能力。

2.2. 我国对钛合金植入物的生产加工能力。

随着国内设备的更新换代和自主研发能力的提升，目前国内能够对医用钛及钛合金研究和生产的机构越来越多，呈现生机勃勃的一面。以宝钛、西北院和洛阳725所为代表的对钛及钛合金有深入研究的机构，已经为我国医用钛及钛合金的生产做出了重大的贡献。国内植入物用钛合金的生产能力呈现出逐年增加的趋势，但是生产能力并未得到完全的释放。例如我国每年生产Ti-6Al-7Nb的量超过100T，但是在我国外科植入物中并没有应用，全部出口国外。

虽然我国的生产加工能力逐渐增强，但是对于植入物用钛合金的产品质量是我们重点关注的问题，同类产品质量和国外产品质量还是有一定距离的。比如国内生产的植入物用TC4合金供货时多数为粗晶的A3～A5级组织，且质量稳定性差，而美国进口钛材显微组织可达到细晶化的A1～A3组织，为等轴α+β组织平均晶粒尺寸小于10μm。

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钛合金植入物研究发展趋势及方向

对于新型植入物用钛合金的研发目前还存在诸多的问题没有解决。从源头上来讲钛合金的成分设计仍然需要进一步的优化，在成分设计阶段要把生物相容性作为一个重点进行设计；力学性能需要进一步的优化，在考虑强度、塑性的同时还应该对钛合金耐磨性、抗腐蚀能力及损伤容限做深入的分析研究；在钛合金的研发阶段生产企业和医院参与力度不足。从整体来看，正是由于这些问题的存在，决定了今后医用钛合金的发展趋势及方向。

（1）研究新的医用钛合金的设计理论，寻求新型钛合金的设计方法，做到从源头上解决医用钛合金存在的问题，对传统医用钛合金材料的优化升级，进一步开发新型优质的医用钛合金材料。

（2）研究先进的生产加工工艺，进一步积累数据，通过生产工艺的改进来提升医用钛合金的综合性能。比如采用SPD方法细化晶粒，采用复合表面处理技术对钛合金进行表面改性提升医用钛合金的生物相容性等。据报道俄罗斯采用新方法成功在Ti-Zr-Nb合金表面喷镀了抗菌涂层，能够完全抑制大肠杆菌在植入物表面的生长。

（3）加强医用钛合金材料研制单位、医疗器械制造企业与各大医院的有效协作和紧密配合，缩短研究到临床应用周期，开发出质优价廉的医用钛合金材料。

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来源：春立在线