医用金属资料又称表科植入金属资料，是最早进行临床利用的生物医用资料，目前在临床中的利用仍最为宽泛。医用金属资料重要用作对骨骼、关节、牙齿以及血管等建复的资料使用。临床使用最早的金属资料是有肯定抗侵蚀性的不锈钢，重要使用316L奥氏体不锈钢。随后在生物环境中拥有更好的抗侵蚀性、组织反映也较幼的C0一Cr合金也成为了重要的医用金属资料。固然使用中不休发现Co—Cr合金的毒性等弊端，但是由于于CO—Cr等系列合金的高度成熟以脊合金加工上的难度高档成分，以至钛合金开发及利用相较其他合金落后了，直到20世纪50年代Branemark把钛合金作为口腔种植体利用后，钛及其合金作为表科植入资料才得到了宽泛利用  。近年来钛合金以其与骨更近似的弹性模量、优良的生物相容性及生物环境下良好的抗侵蚀性在临床上的利用越来越宽泛， Co-Cr合金及不锈钢在临床利用上的主导职位已逐步被取代 。

1、医用钛合金的发展

20世纪中叶以来，钛脊合金的开发利用经历了三个阶段，第一阶段以纯钛和Ti-6Al-4V为代表(即传统的α钛合金)，第二阶段则是以T1-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb为代表的新型的α+β型合金，第三个阶段则是在进行的以开发研造生物相容性更好、弹性模量更低的β型和近β型钛合金为方向的时期，其中以日型钛合金的钻研开发最为宽泛 。

纯钛和Ti-6Al-4V是在临床最早利用迪胙合金的代表。纯钛在生理环境下抗侵蚀机能优良，但因其强度较低、耐磨损机能较差，而限度了它在承载较大部位的利用，目前重要于承载较幼部门如口腔建复蹬酌作骨代替。相比之下，设计开发Ti-6Al-4V的最初主张是航天利用，它有强度较高、加工机能优良的特点，20世纪70年代起头在髋关节，膝关节等表科建复科目起头用于临床，随后被宽泛选取，但它耐蚀性不好，偏高的弹性模量也容易引起“应力屏蔽”效应导致手术失败。同时，临床上起头利用与Ti-6Al-4V相类似的Ti3-A1-2.5V作为股骨及胫骨的代替资料 。此类合金的利用在其时极大的推进了表科学发展，但这类合金使用的两种元素V和Al都是有毒。V的毒性甚至超过Cr和Ni，植入功夫长后会荟萃在各个器官，可能诱发癌症。而Al元素以铝盐大局在体内的积储而导致器官的危险，可引起神经错乱、血虚和骨软化等症 ，此表Al元素还被以为与老年性痴呆症有关。为了预防V元素的潜在毒性，经过几十年的索求和发展，20世纪80年代中期瑞士SULZER开发了Ti-6A1-7Nb ，德国也开发出了Ti-5Al-2.5Fe ，欧洲开发的这两种钛合金中的合金元素Nb和Fe都是无毒的，和Ti-6Al-4V相比力综合机能阐发优良。此类合金中固然以Nb和Fe取代了毒性元素V，但Al元素依然未被取代，另表，这两种合金的弹性模量虽有所降落但仍为骨的4～10倍，还不能齐全预防由于“应力屏蔽”导致种植体周围的骨吸收，这会引起种植体松动以及断裂，最终造成种植失败。因而，开发低弹性模量的新型无毒医用钛合金，以适应临床上对种植资料的要求，已成为生物医学金属资料开发的沉点。

针对以上问题，20世纪90年代以来美日等国等开发了多型新型医用β型钛合金。研造这类合金的蹊径重要是通过增长拥有生物个性的被称为不变β生物元素(Nb、Mo、Ta、Sn等)的元素形成不变的合金。已经发展出了Ti-Nb系、Ti-Mo系、Ti-Zr系、Ti-Nb-Hf系、Ti-Nb-Zr系等系列，相比其他合金，这类合金除拥有其他合金同样优异的综合机能表，沉要的是其拥有更低的弹性模量拥有更好的力学适应性。

到目前，钛及其合金在各类生物资料的移植和建复，以及作为移植资料的定位和零部件等方面都得到宽泛的利用。

2、钛的生物相容性

医用资料不只有求力学个性和生物化学个性优良，还必须拥有极好的生物相容性，即植入资料与人体界面之间不会产生蕴含血液、组织和免疫反映等在内的有害反映。由于钛合金表表存在着TiO₂，氧化层，而TiO₂，氧化层拥有水中溶化度很低、固有毒性低、与生物分子的反映活性不高而近于化学惰性、抗炎作用显著等特点 ，因而就生物相容性而言纯钛及其合金是比力杰出的。

人的体液中含有水和各类有机、无机离子等成分，正常体液PH值为7.4，这样的环境下侵蚀性是极高的；组织中含盐的电解质拥有推进电化学机造的侵蚀与水解的能力；其中的有机分子及细胞能推进化学反映并有迅速粉碎表来成分的能力 。

金属毒性的重要取决干元素固有的毒性及其与大分子结合的能力、剂量大幼等几个成分。由于钛的氨氧化物溶化常数低，惰性较大。另表，TiO₂，在水溶液中出现出弱酸性，钛生物分子络合物的反映很难产生，即TiO₂，和生物分子间的反映活性不高。TiO₂的介电常数较高也被以为是钛组织反映较幼的的一个原因，在室温下TiO₂，在所有三种存在大局(板钛矿、锐钛矿和金红石)下的介电常数均较大，和水的介电常数靠近，这注明在组织液中钛因极化产生的静电力不大。当表表与水的介电常数相差较幼时，蛋白质分子就不会由于极化作用产生的定向静电力的作用向种植体表表挨近。

因而，在生理环境下钛合金种植体表表吸附蛋白质分子的概率较低。

在炎性阶段，自由基和H₂O₂等强氧化剂由活性白细胞开释出，随后与钛的TiO₂氧化层产生反映，推进钛氧化层溶化，同时也增长了氧化层厚度。体表尝试也显示，经过H₂O₂，处置迪胙合金表表固然钛氧化层的溶化速度增长了，但仍能持久维持较低的碳反映活性，碳反映活性低也就暗示它的炎性作用低。

3、医用纯钛及其合金的表表改性

由于当前还没有一种资料能齐全满足临床上的各类要求，因而，对资料的表表性质加以扭转以适应生物环境的必要就显得极度沉要，它对细胞黏附、增殖、分化等一系列反映城市有影响。表表改性是一种通 过只扭转资料的表表性质但对资料整体不产生影响的步骤，表表改性凭据被扭转的表表的性质可分为三类：表表状态改性、物理化学改性和生物改性 。经过改性后的资料表表生物相容性、抗侵蚀性、耐磨性 等会更好，阐发出“生物惰性”或者“生物活性”。

对生物医用钛合金表表进行改性的步骤有好多，目前重要选取的有以下几种。

(1)激光熔覆法。

等离子喷涂步骤是目前利用最宽泛的一种表表改性技术，该步骤有好多利益，但它有个致命弱点就是涂层和基体结合的强度不够大。并且该步骤在涂层造备和界面强化处置时必须分步进行，这增长了成本，并造成涂层机能扭转，效能受到影响。

(2)离子注入表表改性。

该技术作为生物医用资料表表改性的一个新步骤，目前重要利用于高分子以及金属材科表表的改性上。用该步骤进行表表改性对改善金属生物资料的耐侵蚀性、耐磨损性、耐委顿性成效显著。该步骤的特点 通过在基体资料表表肯定深度精确注入预约剂量的高能离子，从而显著扭转资料表表的相结构、化学组分和组织，让植入体与生物组织相互作用产生扭转。

(3)化学气相沉积(CVD)。

化学气相沉积首先让挥发性的含有组成薄膜元素的化合物与其他气相物质产生化学反映，让产生的固态物质以原子态沉枳于放在适当地位的基底上面，就形成了所必要的资料。氮化钛陶瓷或碳化钛陶瓷薄层在金属资料表表天生就是利用化学气相沉积法的成就，这也使得金属资料的表表耐蚀性和生物相容性大大改善、硬度大大加强。但化学气相沉积法通常必要在900 ℃～2000 ℃的前提下进行，其反映温度超过了大无数金属资料的熔点，这极大的限度了它在生物医学金属资料表表改性中的利用。随后发展改进的等离子体化学气相沉积(PCVD)能实现CVD在低温下进行。同时PCVD还大大降低了因基体和薄膜热 膨胀系数不匹配而产生的内应力，所以利用越来越宽泛。

(4)溅射。

溅射镀膜也是改进资料表表机能的一个有效步骤，属于物理气相沉积(PVD)法的一种，它利用真空室中的低压气体放电天生高能的正离子去轰击阴极，被轰击出的粒子在基片上沉积形成硬质薄膜。我们通常说的溅射指的是二级溅射，又被称为阴极溅射。

后来在此基础上又发展了三级溅射、四级溅射、射频溅射等，但都由于它们的各类弊端限度了这些溅射技术在生物资料改性中宽泛利用。直到20世纪70年代发展了磁控溅射技术，这种技术将磁控技术和二级溅射技术有机结合起来，使得二级溅射的“低速高温”的弊端得以克服，其沉积速度也较二极溅射提高了一个数量级以上，自此溅射技术的利用才迎来了新的发展机遇。

(5)电化学沉积法。

电化学沉积法就是用电化学的步骤调节电解液的浓度、pH值、反映温度、电场强度、电流等来节造化学反映的造备步骤，也是常用的表表改性技术。

(6)微弧氧化。

微弧氧化的特点是在有色金属表表原位成长陶瓷薄膜。这种技术选取较高的工作电压，从而把工作区由阳极氧化法的法拉第区引入到了高压放电区，它利用了微弧区的瞬间高温烧结作用，因而又被称为微等离子体氧化或阳极火花沉积，选取该技术在合金表表天生一层致密的氧化物陶瓷；け∧さ暮穸瓤煽亍⒂氤牡捉岷狭η俊⒊叽绫涠，合金耐磨性、绝缘性、耐腐性、抗热冲击性都得以大大提高。其启程点与其它陶瓷膜造备技术齐全不一样，理论以及技术上都获得了突破，利用远景极度看好。

(7)等离子喷涂。

等离子喷涂技术是用温度高达10000 ℃以上的高温等离子火焰将粉状待喷物料瞬间高速喷涂在冷态衬底上天生约0.05～0.1 mm的薄膜涂层。钛及其合金的涂层通常选取生物相容性优良的羟基磷灰石做涂料。但这种步骤由于涂层与基体之间以物理作用为主，结合力不够大，空地较多，涂层的使用效力欠佳。因而近年来又发展了用于等离子喷涂的后续真空热处置技术，能在界面处形成化学键，涂层结合度得到加强。

固然等离子喷涂技术有诸多短处，但它仍是目前利用最宽泛的表表改性步骤，随着梯度等离子喷涂技术及后续热处置技术等新技术的发展，等离子喷涂技术也会越发美满。

(8)烧结法。

烧结涂层选取类似于烧结与涂搪的步骤，在衬底上涂上厚约0.2～0.35 mm的陶瓷或者玻璃表表层。该技术保留了等离子喷涂技术的诸多利益，同时预防了其缺点，实现了涂层组成的梯度变动，从而使其生物 学和机械力学等机能也梯度变动，涂层结合强度高，综合机能大为改善。

4、结论

固然钛合金在医学上的利用有巨大的优势，但目前其用量不高，一方面由于高昂的价值故障了其大规模推广利用，另表，目前在使用迪胙合金还拥有弹性模量偏高、表表活性差、耐磨性和耐蚀性差等各    不一样的弊端，这些都直接影响到资料的生物相容性，因而，开发综合机能更好的新型钛合金，或者通过表表改性提高其机能就成为生物医用钛合金今后的沉点研发方向。

参考文件

【1】顾汉卿，徐国风．生物医学资料学【M】天津：天津科技翻译出版公司，l993．

【2】B R A N E M A R K P，B R E I N EU ，L I N D S T R 0 M J ，e ta1．Intrao sseous anchorage ofdental prostheses：I Experimentalstudies[J]．Scand J Plast ReconstrSurg，1969(3)：81-82．

【3】BRA NEM AR K P， H a n s s on B，ADELL R，et a1．0sseOintegrated im Plants in the treatm ent of edentulous Jaw．Experience from a 1O—Yea r Period[J】．Scand J Reconstr Surg Suppt，1977(3)：1-4，

【4】VAN NOORT R．Titanium ： the implant of today[J】．J Mater Sci，1987(22)：3801-3811．

【5】WANG K．The use of titanium f o r m e d i c a 1 a P P l i c a t i o i1 i n t h e U S A [J]．M a t e r SciEng，l996，A2l 3：134-137．

【6】K U R 0 D A D ，N I I N O M IM ，M 0R INAGA M ，et a1．Designand m echanical ProPerties ofnew P type titanium alloys forimplant materials[J]．Mater SciEng，l998，A243：244-249．

【7】Z W I C K E R R ，B U E H L E RK ，M UELLER R．et a1_M echanicalProPerties and tissuereactionsof a titanium alloy for implantm a t e r i a 1【A】．T i t a n i u m ’8 0S ci en c e and T e chnol o g Y．W a r r e n d a l e ，P A ：T M S ～AIM E，l980：505—514．

【8】S E M L I T s c H M ，w E B E RH，STREICHER R ，et a／．Jointreplacement comPonents m adeof hot—fo rged and su rface—treated Ti一6AI一7Nb alloy[J】． Biomaterials，1992，13(11)：781-788．

【9】C H E A L E，S P E C T O R M ，WH A Y E S．R o1 e of 1 o ad s andProstheses material ProPertieson th e m e ch ani c s of th eProxim al fem 11 r afte r tota1 hip a rthroplast[J】．Y．J 0rthopRes，l992(10)：405-422．

【10】sUM N ER D， GATANTE J．Determinants of stress shielding：design versus m aterials versusinterface[J】．C¨n Orthop RelatRes，l992，274：2O2—212．

【11】TENGVALL P，LUND STROM I．Physico—chemical cOnsiderati0nsof titanium as a biomateriat．ClinMater，1992(9)：11 5-134．

【12】卞恩RW，哈森P，克雷默E J．资料科学与技术丛书，V．14，医用与口腔资料【M】．威廉姆斯DF主编，朱鹤孙，译．北京：科学出版社，1999．

【13】BRUNEEL N，HELSEN J．Invitrosimulation of bioC0m patibilitv0f titanium[J】．J Biomed M aterRes，1988(22)：203—214．

【14】Kato H．，Inoue A．，Synthesis andm echanical ProPerties of bulkamorphous ZrZAI2N l2CU alloyscont aining Z rC Pa rticle s[J】．Mater．Trans．j JIM，1997，38(4)：793—78O．

【15】Hays C．C．，Kim C P．，Job rlsonW ．L．M icrostructure controI Jed Shea r bai2d Pattem fo rm ation and enhanced Plasticity of bulkm eta1lic gl a s se s containingin situ formed ductile Phasedendrite dispersion[J】．Phys．Rev．Lett．，2000，84(14)：2901 2910．

【16】张亚平，高家城，王勇，人为关节资料的钻研和瞻望【J】．世界科技钻研与发展，2000，22(1)：47-51．

【17】王志刚，朱瑞富，吕宇鹏，等．钛、镁、铝合金的表表微弧氧化技术[J】．陶瓷，2007(1)：17-22．

有关链接