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以下為（wéi）正（zhèng）文：
作者：李崇崇（chóng） , 王健 , 王春仁 , 李靜莉
中國食品藥品檢（jiǎn）定研究院，北京 102629
本（běn）公司主要承接銅、鋁（lǚ）、不鏽鋼等金屬材料和四氟（fú）乙烯等（děng）非金（jīn）屬材料的精密加工和設（shè）計。公司業（yè）務涉及：北京（jīng）鈦合金加工 ,北京鋁合金（jīn）零件加工（gōng）工程機械、電子設備、醫療器械、紡織（zhī）機械、儀器儀表和通信設備等多個行業（yè）。
摘要：
鈦合金材料因為其（qí）優異的生物相容性和力學相容性（xìng）而被大（dà）量的研究開發，成為骨科植入物的主要原材料。製（zhì）備與人體（tǐ）組織有更（gèng）好的相容性、更接近於人體的彈性模量的新型低模量鈦合金已經成為該領域研究的熱（rè）點。本文（wén）從新（xīn）型低模量鈦合金材料設計、研究現狀及其骨科植（zhí）入臨床前研究幾個方麵進行了綜述，總結了（le）近幾年國內外低模量（liàng）鈦合金骨科植（zhí）入物（wù）材料的***新進展，展望了未（wèi）來發展趨勢及待解決的問（wèn）題（tí）。
臨床上由外傷、腫瘤、老齡化及其他因素所致的骨、關節損（sǔn）壞, 往往需要用鋼板、螺釘、人造關節等來建立穩定的骨支架[1-2]。目前, 臨床上常用的金屬骨科植入材料主要包括不鏽鋼、鈷合金和鈦（tài）合金[3]。其中, 鈦合金由於其彈性模量更接（jiē）近（jìn）人體骨組織, 加上良好的生物相容性以及（jí）在生物環境下優良的抗腐蝕性等, 在臨床上得到了（le）越來越廣泛的應用[4-5]。
醫用鈦及其合（hé）金的發展可分為三個時代:******個時代以純鈦和Ti-6Al-4V為代表; 第二個時代是以Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb為代表的新型α+β型合金; 當前（qián）所（suǒ）處（chù）的第三個時代, 則是開發與研製更好生物相容性和更低彈性（xìng）模量鈦合金（jīn）時代, 其中以β型鈦合金研究***為廣泛[4]。
1 低模量鈦（tài）合金材料的設計
骨科植入物植入（rù）人體後, 將（jiāng）長（zhǎng）期地處於人體的複雜環境中, 不可避免地要經受生命活動過程中體內的（de）物理、化學（xué）以及生物學等多種綜合因素的長期作用[5]。這（zhè）種相互的作用不僅能使植入物產生形變, 更重要的是還有可能對人體造成各（gè）種危（wēi）害[6]。因此, 醫學臨床要求醫用鈦合金材料必須具有多方麵的綜合優良性能, 其具體體現分（fèn）為以（yǐ）下幾個方麵:
1) 耐腐蝕性
耐（nài）腐蝕是指材料植（zhí）入（rù）生物體後對在生物體液介質中發生的一（yī）係列化學反應而引（yǐn）起的表麵、內部腐蝕, 以及植（zhí）入物離子進入到生物體體液的抵抗能力[7]。骨科植入（rù）物植入人體後, 處於長期浸泡在含有有機酸（suān）、堿（jiǎn）金屬或堿土金屬離子(Na+、K+、Ca2+)、Cl-離子等構成的恒（héng）溫(37℃)電解質環境中, 加上（shàng）蛋白質、酶和細胞的作用, 會對金屬產生腐蝕[2]。主要的腐蝕類型為一般性的均勻腐（fǔ）蝕和點腐蝕、縫隙腐蝕、疲勞腐蝕及應力（lì）腐蝕等局部腐蝕。腐蝕不僅會（huì）使植（zhí）入材料的力學性能嚴重下（xià）降, 導（dǎo）致植入的失敗, 腐蝕產生的離子、氧（yǎng）化物、氯化（huà）物等還會（huì）引起局部的炎症、過（guò）敏和中毒反應[7]。由於表麵氧化膜的穩定存在, 鈦（tài）在腐蝕介質中具有優異的耐（nài）腐蝕（shí）性能, 僅在（zài）濃度較高的加熱還原性酸中才會發生劇烈腐蝕。正常人體體液（yè）NaCl濃度為0.9%, pH值為7.4, 外科手術會導致pH值在7.8~5.5之（zhī）間波動, 但幾天後恢複正常水平[8]。在這種環境中, 一（yī）般的鈦（tài）合金材料都具有良好的耐腐蝕（shí）性能[9]。
2) 生物相容性
生物相容性是指材（cái）料與生物體之間相互作用（yòng）後產生的各種複雜的生物、物理、化學等（děng）反（fǎn）應的一種概念[6, 10]。生物相容性包括血液相容性、組織相容性和力學相容性, 即材料分別與心（xīn）血管係統和血液直接接（jiē）觸、與生物（wù）組織或器官直接接（jiē）觸的相容程度是否會造成毒（dú）害作用, 以及材料植入體內後承受的負荷和（hé）與植入部位組織彈性形變相協調的性能。金屬材料對組織的（de）毒害作用（yòng）主要是取決於其由於腐蝕而釋放的金（jīn）屬離子類型及釋放速度。生物相容性（xìng）的優劣是生物醫用材料研究設計中（zhōng）首要考慮（lǜ）的重要問題。純鈦及其合金的出色生物相（xiàng）容性主要歸功於其表麵附著（zhe）的氧化層[7]。TiO2不僅具有較低的毒性, 在水（shuǐ）中（zhōng）的溶解（jiě）度（dù）也（yě）很低, 而Ti(Ⅳ)(aq)與生物分子反（fǎn）應的活性很低, 接近於化學惰性[11]。
3) 低彈性模量
低彈（dàn）性模量是針對材料力學相容性提出的, 取決於金屬原子的本性和晶格類（lèi）型。當材料植入人體後, 由（yóu）於人體的運動, 會與周圍的骨組織發生（shēng）拉壓和彎曲等力的作（zuò）用。由（yóu）於通常金屬材料的彈性模量要高出人體骨彈性模（mó）量一個數量級, 所以導致力不（bú）能夠很好（hǎo）地傳遞給相鄰的骨組織, 從而產生"應力屏（píng）蔽", 這將使得種（zhǒng）植體周（zhōu）圍出現骨吸（xī）收, 引發骨組織厚度下降和（hé）骨質疏（shū）鬆, ***終引（yǐn）起種植體（tǐ）鬆（sōng）動或斷裂, 導（dǎo）致種植失敗（bài）。因此（cǐ）, 要盡量降低金屬植入物的彈性模（mó）量, 縮小其與（yǔ）骨組織之（zhī）間的（de）彈性模量差距, 以減少應力屏（píng）蔽現象對骨組織的損傷（shāng）。
4) 良好的力學性（xìng）能（néng）
力學性能主要指強度、塑性（xìng）、疲勞性能和耐磨損性能。骨科植入物植入人體（tǐ）後主要是作為受力器件植入的, 必然會承（chéng）受人體的重量和運動造成的應力, 例（lì）如人工髖（kuān）關節, 每年將承受約3.6×106次幾倍於體重載荷的衝擊和磨損, 因此, 材料必須具有一定的強度、塑（sù）性以及優良的疲勞性能和耐磨性能。鈦的密度較小, 約為鋼的（de）一半, 但是鈦及鈦合金的強（qiáng）度卻與優質鋼相當, 因此鈦和鈦合金（jīn）的（de）一個顯著（zhe）優點就（jiù）是比強度很（hěn）高, 是一種很好的熱（rè）強合金（jīn）材料[5]。
自20世紀（jì）40年代開始, 經過眾多（duō）科研工作者的不懈努力, 大量的生物鈦（tài）合金材料被開發出來。20世紀90年代（dài）, 人們開始研（yán）發不含有毒元（yuán）素、高強度（dù）、低模量的第三代（dài）新型β型(包括全β型、亞穩β型、近β型或稱富α+β型)醫用鈦合金[12]。但是, 目前所開發的β型鈦合金依然存（cún）在著一些問題, 比如合金冶煉（liàn）高（gāo）熔點、原（yuán）材料價格昂貴、金屬表麵改性（xìng）等, 使其不能滿足生物工程的廣泛（fàn）應用需求。因此, 業界相關的工作者通過各（gè）種合金成分設計和熔融技術, 不斷地對β型鈦合金進行優化設計, 力求設計（jì）出（chū）更適合生物工（gōng）程使用的鈦合金材料。
2 新型低模量鈦合金材料研究現狀
目前, 國內外已報道（dào）的各類新型醫用鈦合金多達近百個, 合（hé）金設計包括二元係到六元係合金, 合金元素涉及近20個[13]。大量的研究表明, 生物相容（róng）性元素Nb、Zr和Ta的（de）嚴格應（yīng）用可使鈦合金的潛在組織反（fǎn）應達到（dào）***小, 同時獲得較低的彈性模量。Zr、Nb、Mo、Sn能夠使Ti基體強化而對塑韌（rèn）性的不利影響較小, 同時對降低彈性模量有利[12]。但（dàn）是, Zr、Sn、Mo、Nb、Ta等元素對多（duō）元（yuán）鈦合金強度、塑性和（hé）模量等理化性能的影響, 與其在合金（jīn）中配比存在非線性或定量依存關係, 不同元素對合金性能的影響各不相同, 而力（lì）學性能隨（suí）著合（hé）金成分的變化顯得（dé）更加複（fù）雜, 因此, 需要嚴格選擇和控製合金元素特別是β相穩定（dìng）元素及配比（bǐ）, 並（bìng）關注合金（jīn）多元化後對性能的耦合影響[14]。
丁聰琴[4]和賈（jiǎ）慶衛等[3]分別將合金元素Ti、Nb、Zr按照不同比例進行混合, 使用（yòng）熔煉技術和時效（xiào）處理製備了4種Zr含量（liàng）逐漸升高的Ti-NbZr合金(C1、C2、C3、C4)。通過X射線衍射（shè）、掃描電鏡和透射電鏡觀察（chá）合金的微觀結構, 並對其力學性能進行了分析。結果表明, 該合金材料彈性模量***低可達到52Gpa, 接近人體皮質骨(約為30Gpa), 抗拉強度706~874Mpa, 延伸率5.4%~20%, ***高可達23%, 體現出了良好的應用（yòng）前景。
華南理工大學開發了一種名義成分為(Ti- 35Nb-7Zr-5Ta)98Si2的新（xīn）型（xíng）β鈦合（hé）金, 該合金采用d電子合（hé）金設計理論設計（jì）, 放電等離子燒結法(SPS)製造, 具備低彈性（xìng）模量(37Gpa)、高強度、高塑性以及超細晶結構[15]。其中Ti-35Nb-7Zr- 5Ta已被證實具有良好的生物相容性和較低（dī）的彈性模（mó）量, 而Si元素具有增加非晶形成和晶粒細化的功能, 同時（shí）也具（jù）有（yǒu）良好的相容（róng）性。孫鈺等[16]通過浸提液浸泡、細胞培（péi）養、小鼠植入試驗等對其合金的耐腐蝕性、生（shēng）物相容性、生物活性以及骨整合（hé）能力進行了實驗和（hé）評估, 結果（guǒ）顯示（shì）, 新型超細晶低彈（dàn）鈦合金(Ti-35Nb-7Zr-5Ta)98Si2具有耐腐蝕性良好、生（shēng）物活性高、骨整合能力******, 並且生物相容性良好, 沒有細胞毒性和組織排斥反應, 具有很好的應用價值。
田恬等[17]研製的Ti-33Nb-4Sn(wt.%)合金, 經過冷軋變形和時效處理後, 使用（yòng）力（lì）學試驗機、X射線衍射儀、透射電子顯微鏡、原（yuán）位同步輻射和利用彈塑性（xìng）自洽模型等, 對處（chù）理後的合金相變、微觀結構變（biàn）化以及其力（lì）學性能進（jìn）行了係（xì）統的研究。結果（guǒ）顯示, Ti-33Nb-4Sn(wt.%)合金抗拉強度可達到855 Mpa, 彈性模量為36 Gpa, 更（gèng）加接近人體骨, 有很好的應用前景。並且該研究分析了合（hé）金低模量機製和變形行為的物理機製（zhì）, 為後續研究工作提供了指導。
中科院金（jīn）屬研究所郝玉琳等（děng）[18]開發的Ti2448 (Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn)合金抗拉強度約900 MPa, 初始楊氏模量約40 GPa, 平均楊氏模量 < 20 GPa, 在高強（qiáng）度狀（zhuàng）態下實現了與人體骨骼的（de）彈性匹配。該合金在600 Mpa強度的條件下達到了約6%的（de）單循（xún）環能量吸收率, 約為高阻（zǔ）尼分子材料的1/4。其***大（dà）可恢複的拉伸彈（dàn）性應（yīng）變約3.3%。合金的（de）體模量遠低於常規金屬（shǔ）材料, 且與剪切模量相當(約（yuē）24 GPa), 泊鬆比（bǐ）很低僅為0.14。采用優化的加工工藝, 可以將楊氏（shì）模量、體（tǐ）模量、剪切（qiē）模量和泊鬆比（bǐ）分別降低到約40 GPa、約18 GPa、約17 GPa和0.095。對於該合金, 研究人員已經通過實驗驗證了其優異的（de）生物相容性, 其動物實驗表明, 該合金材料的低（dī）彈（dàn）性模量使得植入物與動物骨的力學相容性顯著提高。
3 低模量鈦合金在骨科中（zhōng）的臨床前研究
β型合金由於具有低（dī）彈性模量將有望應用於骨科中。目前, 國際國內許多研究人員開展了低模量鈦合金的臨床前研究工作, 這些研究為β鈦合金將來在骨科中的應用奠定了重（chóng）要（yào）的基礎。
國（guó）際學者中, 日本的Miura等[19]研（yán）究了低模TiNb-Sn合金的細胞（bāo）毒性和骨組織相容性。其通過直接接觸細胞培（péi）養法對Ti-25Nb-11Sn的細胞毒性進行了評價; 將金（jīn）屬棒植入兔的股骨（gǔ）中, 對其（qí）骨組織相容性（xìng）進行了檢測。結果表明, 這種與人骨模量接近的Ti-Nb-Sn合金是生物惰性的, 並具有與Ti- 6Al-4V合金相似（sì）的高度（dù）骨相（xiàng）容性。
Fukuda等[20]研究了Ti-Zr-Nb-Ta合金的（de）骨結合力。該研究將在不同溫度下經Acahw(堿、CaCl2、加熱、水)處理後合金材料（liào）植入（rù）兔脛骨內, 結果表明, 未經表麵處理的Ti-Zr-Nb-Ta合金幾乎沒有骨結合力, 而經過表麵（miàn）處（chù）理過的植入物隨著植入時間的延長骨結合力逐漸增強（qiáng）, 並且, 經過700℃加熱處理的合金材料其骨結合力要優於經（jīng）過600℃加熱（rè）處理（lǐ）的合金材料。
國內學者中, 第四軍醫大學石磊[21]將兩種彈性模量鈦（tài）合（hé）金分別植入到新西蘭大白兔, 其（qí）中左側（cè）為Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn, 右側為Ti-6Al-4V, 術後4、8、12周分別處死動物, 采用X線、組織學、生（shēng）物力學及Micro-CT對標本（běn）進行評價。其研（yán）究結果表明, 新型（xíng）低彈鈦合（hé）金Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn內植物, 相比（bǐ）於臨床常用的Ti-6Al-4V內植物, 能將更多的應力均勻地傳遞到周圍骨組織中去, 降低了應力（lì）集中效應, 減少了骨組織的吸收, 有（yǒu）利於植入物-骨界（jiè）麵的新骨形（xíng）成, 提高了骨（gǔ）界麵的接觸率, 有（yǒu）利於骨整合, 從而提高植入物的（de）生物（wù）穩定性。
中國（guó）醫科大學附屬第二醫院趙永康等[22]研究了活化低模量（liàng）Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr和Ti-Nb-Zr-Sn係合（hé）金的生物相容性。該（gāi）研究得出了種植體（tǐ）和下頜骨的三維有限元模型、不同材料種植體的彈性（xìng）模量對下頜骨應力分布的（de）影響, ***終通過三維有限（xiàn）元分析驗證了低彈性模量鈦合金更有利於應力向周圍骨組（zǔ）織傳（chuán）導, 具有更好的種植體（tǐ）-骨結合能力; 且有利於維持界麵的穩定（dìng）, 可改善種植體的生物力學相容性, 對提高種植義齒（chǐ）的遠期成功率具有******重大意義。此外, 該團隊還研究了氧化加堿處理的Ti- 24Nb-4Zr-7.9Sn合金表麵的生物相容性（xìng）, 以及Ti- 24Nb-4Zr-7.9Sn經過陽極氧化(AD)技術處理後對成骨細胞增殖和分（fèn）化的（de）影響[23-24]。試驗結果表明, 氧化加堿性活化方法是一種（zhǒng）良好的鈦合（hé）金表麵（miàn）處理方法; 陽極氧化處理的Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn鈦合金可促（cù）進成骨細（xì）胞的分化。
上海交通（tōng）大學附屬第九人民醫（yī）院賈慶衛等（děng）[25-26]對其自行（háng）研（yán）發的新型β型鈦合（hé）金(Ti-Nb-Zr)從（cóng）體內和體外兩個方麵進行了一（yī）係列生物相容性評（píng）價實驗。體內（nèi）實驗部分:實（shí）驗1中選取24隻成年SD大鼠, 將鈦铌銑β型鈦合金(Ti-Nb-Zr)顆粒混懸液注入其皮下氣囊模型, 采用ELISA法對囊內（nèi）液體的IL-6和TNF-α進（jìn）行了測定, 用囊壁（bì）組織學切片進行炎症細胞反應（yīng）分級和囊壁厚度測量, 測量結果顯示（shì）, 與傳統的鈦鉛（qiān）釩合金(Ti-6Al-4V)相比, Ti-6Al-4V組引起的（de）TNF-α升高明顯高於（yú）Ti-Nb-Zr組(P < 0.05)。兩種材料均不能（néng）引起IL-6分泌的顯著增加(P>0.05)。Ti-Nb-Zr組氣囊囊壁厚度明顯小（xiǎo）於Ti-6Al-4V組(P < 0.001)。實驗2中將Ti-Nb-Zr做成（chéng）接骨板固定在兔的脛骨上, 於（yú）手術後4、8、12、24、36周分別觀察接（jiē）骨板周圍的（de）纖維膜形成情況和Ti-Nb-Zr-骨界麵骨結合, 並與不鏽鋼接骨板比較（jiào）。Ti-Nb-Zr接骨板周圍軟（ruǎn）組織反應與不鏽鋼相近。12周時, 骨與Ti-Nb-Zr接骨板的界麵為直接接觸, 中間無軟組織間隔。螺釘與骨也能形成較為牢固的釘（dìng）-骨直接接觸。體外實驗中, 采用L-929細胞(小鼠成纖維細胞)對合金進行細胞毒性試驗, 將細胞相對增殖率(RGR)轉換成6級材料毒性進行（háng）評級, 結果顯示, Ti-Nb-Zr的細（xì）胞毒性為（wéi）0級。將1μm左右的鈦铌鋯合金(Ti-NbZr)顆粒與J774A.1巨噬（shì）細胞體外共同培養（yǎng）24~48 h後, 觀察細胞變化、測定IL-6和TNF-α表達（dá）, 並與傳統的人工關節假體材料進行比較。結果顯示, 吞（tūn）噬了Ti-Nb-Zr顆粒的J774A.1巨噬細胞形態改變明顯輕於鈷鉻鉬顆（kē）粒（lì）組和鈦鋁釩顆粒組。48 h後, 鈷鉻鉬顆粒和鈦鋁釩顆粒引（yǐn）起IL-6和TNF- αmRNA表達增（zēng）加比Ti-Nb-Zr顆粒（lì）更加明顯。該研究分別從體內、體外兩個方麵印證了低彈（dàn）性（xìng）模量Ti-Nb-Zr鈦合金優良的組織相容性, 是一種有前途的（de）骨科內植（zhí）物材料。
孫鈺等[16]對(Ti-35Nb-7Zr-5Ta)98Si2的生物活性以及骨整合能力進行了（le）測試, 通過將小鼠前成骨細胞MC3T3-E1與合金（jīn）試樣培養以及後續的檢測處理評（píng）價（jià）了合金對成骨細胞粘附的（de）影響對於細胞增殖和（hé）代謝的影響, 結果顯示, 該合（hé）金材料表麵細胞（bāo）黏附情況與Ti-6Al-4V相近, 細胞增殖、代謝等均未見（jiàn）明顯影（yǐng）響, 有較（jiào）好的生物相容性。另外, 在骨整合能力評價實驗中, 選擇6隻健康成年新西蘭大白兔作（zuò）為受試動（dòng）物, 每隻受試動物雙（shuāng）側股（gǔ）骨分別植入Ti-6Al-4V和（hé）(Ti-35Nb-7Zr-5Ta)98Si2合金, 每側股骨植入3個（gè）, 術後3個月處理受試動物。經過後續處理和統計分析, 實驗結果顯示, 材（cái）料與骨組織結合較好, 並且（qiě）(Ti-35Nb-7Zr-5Ta)98Si2與骨的接（jiē）觸率(77.45%)大於Ti-6Al-4V與（yǔ）骨的接觸率(73.31%), 並且前者（zhě）的骨結合（hé）力(377N)大於後者(284N)。
4 展（zhǎn）望
國內外學者（zhě）的研究已經初步顯示了新（xīn）型低彈性模量鈦合金應（yīng）用於骨科（kē）的可行性和優越性（xìng）。新型合金具（jù）有（yǒu）無毒性、低模量、高（gāo）比強度、優（yōu）異（yì）的冷熱機（jī）械加工性能以及良好的骨組織相容性等優點, 因而有（yǒu）望在將（jiāng）來替代現有（yǒu）的純鈦和Ti-6Al-4V合金廣泛應用於骨科。
然而, 縱觀醫用鈦合（hé）金（jīn）材料的研發曆史, 新型（xíng）低模量鈦合金目前基本均（jun1）處（chù）於臨床前實驗研究階段, 並未（wèi）見有臨（lín）床實驗的相關報道, 在未（wèi）來的發展中, 有效開展臨床試（shì）驗將是當（dāng）務之急, 另外低模量合金在人體中植入的長期安全（quán）性等問題也有待深入開展和探討（tǎo）。進一步提高醫用鈦合金材料的生物及力學（xué）相容（róng）性, ***終（zhōng）解決或改善其體（tǐ）內的生物安全性和服役長效性問題仍將是業內（nèi）今後研究的重點。除（chú）此之外, 我國******標（biāo）準《GB/T 13810- 2017外科植（zhí）入物用鈦及鈦合金加工（gōng）材（cái）》[27]目（mù）前仍隻有TA1ELI、TA1G~TA4G、TC4、TC4ELI和TC20允許批量化生產和（hé）市場應用, 尚（shàng）沒有一個新型β型鈦合金（jīn）納入******標準（zhǔn）。因此, 加快醫用鈦合金原材料及（jí）相關（guān）產（chǎn）品的******和行業標準化研究和標準的製（zhì）(修)訂迫（pò）在眉睫。
新型的低模量鈦合金***終（zhōng）應用（yòng）於骨科植入物是行（háng）業發展（zhǎn）的必然趨勢, 雖然目前的（de）研究和應（yīng）用仍然（rán）存在著一（yī）些問題, 但相信經過（guò）國內（nèi）外學者的不斷探索, 終將攻克層層困難, 實現新型低模量鈦合金在骨科（kē）中的（de）應用, 為造福人類帶來福（fú）音。
參考文獻（略）
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來源：中國藥事
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