鈦具有密度低,為4.5克/立方厘米,是鋼的60%左右,重量輕可以增加病人舒適感和活動功能。強度高,比強度大,外科手術中,植入物的強度水平應高于自然骨,鈦及鈦合金的屈服強度為207-1379MPa,而自然骨為83-117MPa,故能夠滿足性能要求。無磁;導熱系數小,僅為鋼的1/5,鋁的1/3,銅的1/2;線膨脹系數小,為碳鋼的1/5,為不銹鋼的一半;植入物和自然骨之間彈性模量的協調,對于延長使用壽命至關重要,自然骨必須彎而不斷。骨的低彈性模量約為16.5×103MPa,而鈦為鈷和不銹鋼之半,即102.7-113.3×103MPa。鈦的彈性模量低,對于人體接受植入件非常重要,同時減少了結合界面上的附加應力,延長了系統的使用壽命。鈦設備、鈦換熱器、鈦反應釜、鈦蒸發器、抗阻尼性低;耐熱性好,在500℃左右仍能保持良好的機械性能;耐腐蝕性能好。

基于以上特性,這為鈦在牙科、人體移植、人體矯形外科方面,以及在制藥設備、醫療器械等方面應用提供了條件和基礎,具有較好的前景。目前,主要應用的鈦合金有:純鈦,Ti-6Al-4V,Ti-6Al-4VELI,Ti-6Al-7Nb,新型β型鈦合金,Ti-Ni合金等。本文探討的就是鈦在這些方面的應用。

鈦在移植方面的應用

人工關節及人工骨替代材料應具備以下幾個基本性質:輕質高強材料,具有生物相容性、耐蝕性,植入物在體內所發生的組織反應不引起材料的劣化,重復應力引起的疲勞、破損少等性質。

金屬植入體最重要的性能是成形型、機加性和拋光性,在預期的壽命期內必須保持功能,在經受疲勞、磨耗、腐蝕和沖擊載荷時不會劣化,鈦及鈦合金符合全部上述要求。

外科用移植材料規定使用的鈦材以純鈦和Ti-6Al-4VELI合金為主。最近,與人體親合性良好的移植材料Ti-6Al-7Nb及Ti-13Nb1-13Zr也取得了ASTM標準認可。

用鈦棒做人造骨,細胞可在其上再生,骨骼可以生長,鈦與人體骨、上皮、締造組織都具有良好的親合性。為了改善與人骨連接的植入材表面質量,對粗化表面進行生物陶瓷層也是較為有效的方法。

目前,鈦及鈦合金鈦設備、鈦盤管、鈦換熱器、鈦反應釜、鈦蒸發器、已廣泛用于人工骨關節、人工骨、接頭腳板、斷骨固定器、骨髓內釘、人工心臟瓣膜、頭蓋骨等。據統計,中國每年對鈦合金人工關節的需求量超過5000套,臨床應用效果良好。

鈦在矯形外科的應用

醫用鈦合金彈性模量比不銹鋼更接近于人體骨骼,適用于人體矯形手術中。

在矯形外科方面,多使用鈦鎳形狀記憶合金。研究表明NT-SMA是集耐磨、耐腐、形狀記憶效應、偽彈性和聲阻尼等性能與一體的新材料,在骨科的應用日趨廣泛,除了常用的接骨板、髓內針、下頜骨內固定、脊柱側彎矯正等外,上海長海醫院又對NT-SMA進行了系列設計與臨床應用,如NT-聚髕器、NT-弧叉釘、NT-弓形器、NT-飛蜓器(專為骶骨重建而設計)等,取得了滿意的療效。

對于應用到人體的鈦合金材料,各國仍在不斷努力探索,尋求更加安全可靠的新型鈦合金,為全世界人民造福。