口腔临床用钛合金材料的特性与应用优势

引言

钛及钛合金由于具有优良的生物力学性能、生物相容性和耐蚀性，成为当前最具吸引力的医用金属材料之一。同时，钛及钛合金还具有对MRI无磁场干扰、在口腔内无异味、导热率低、不易刺激牙神经等优点，在口腔领域展现出了良好的临床应用效果，已广泛用于制作冠桥、种植体基台、义齿支架、正畸弓丝等，以及种植体、医用钛板、钛钉、钛网、正畸支抗钉等植人物。

为促进钛及钛合金在口腔领域的应用，阐述了口腔用新型钛合金开发、钛及钛合金表面改性、钛及钛合金的3D打印技术在口腔领域中的应用等方面的国内应用现状和存在的问题，并对其应用进行了展望。

1、口腔用钛及钛合金材料的沿革

钛及钛合金作为医用金属材料可追溯到20世纪40年代初，Bothe等首次把钛引入到医学领域；20世纪50年代初，英美等国家首先采用纯钛来制造接骨板、螺钉、髓内钉和髋关节等植入物器械。

1958年，Branemark等人首次将钛合金引入到口腔领域，率先开展了对牙科钛种植体的研究，并于1965年将其应用于临床，并提出了骨结合的理念；20世纪6O年代，Buehler利用钛镍合金的超弹性和记忆效应将其用于制作正畸丝；20世纪80年代起，美、13、德等国开始将钛及钛合金用于制作牙科冠、桥、基托、卡环和冠钉等，现在钛已越来越受到牙科医生和患者的重视。

2、口腔用钛及钛合金材料的优势

钛及钛合金作为口腔用材料的优点主要有：①在酸性和碱性环境下溶化量少，无腐蚀、变色问题；②安全性高，不会出现镍合金引起的超敏反应；③钛由于对MRI无磁场干扰，患者做MRI检查时无须拆掉义齿或种植体；④纯钛的密度仅为4.5g/cm3，与自然牙齿的密度接近，制作的义齿重量轻，镶牙装着感好；⑤纯钛的热传导率低，对牙髓无刺激性；⑥与传统的口腔材料相比，具有咀嚼时不改变食物味道的特性。因此，钛及钛合金是迄今为止临床应用效果最佳的El腔材料之一。

口腔用钛及钛合金与其它领域的生物医用钛及钛合金相同，按材料显微组织类型可分为α型钛合金(如纯钛系列)、α+β型钛合金(如Ti-6A1-4V等)和型钛合金(如Til2Mo6Zr2Fe等)。纯钛等α型钛合金虽然在生理环境中具有优良的抗腐蚀性，但其强度较低、耐磨性较差，在口腔领域主要用于义齿、牙种植体、颅颌钉板等。α+β型钛合金的典型代表为Ti-l5A1．4V、Ti-l5Al_7Nh等合金，具有较高的强度和综合的加工性能，主要用于制作正畸支抗钉、种植体的中心螺钉等，也可用于颅颌钉板。20世纪90年代以来，一系列新型β型钛合金(介稳或稳定)问世。β型钛合金具有高强度和良好的可成形性，且具有低弹性模量和超级耐蚀性，因而受到极大重视并很快得到发展。钛合金在口腔修复领域作为种植体材料、颌骨修复钉板材料、正畸弓丝材料等方面的开发也备受关注。

3、口腔用钛及钛合金材料的研究现状

3.1口腔用新型钛合金开发

相对于其它金属材料，钛及钛合金在口腔修复领域的应用较晚。主要由于钛在高温下的反应性特别强，对铸造设备及造型材料都有特别的要求。

早期很多研究多集中于钛及钛合金的铸造、与包埋材料层的反应、铸件的抛光、焊接等方面。当前针对口腔用的新型钛合金的研发正在快速发展，但根据作者在国家药监局网站的初步统计，目前国内的口腔修复用钛及钛合金，包括种植体、颌骨接骨板、螺钉、正畸支抗钉等医疗器械仍以纯钛和Ti-6Al-4V、Ti-6A1-7Nb、TiNi合金为主，占到约80％以上。虽然这些钛及钛合金具有十分优异的性能，但其在在临床应用时会析出极微量的Al、V、Ni等离子，降低了其生物相容性，且有可能对人体造成潜在危害。

在诸多的新型钛合金口腔修复材料中，钛锆合金很早就引起了研究人员的注意，钛锆合金在经过一系列的检测分析之后，确定对人体无害，不会刺激人体，更没有致癌变与畸变的可能。甚至有学者认为，钛锆合金是性价比最高的修复材料，适合各种各样的口腔修复。在钛锆合金的基础上，张欣等卜开发出了新型的牙科用TiZrNbSn合金，并对合金的力学性能、耐腐蚀性能、生物安全性、摩擦磨损性能、铸造性能、焊接性能等进行了全面的研究，认为该合金非常适合于牙科使用。中科院金属所郝玉琳等。。研制的Ti24Nb4Zr7．6Sn合金由于具有较低的弹性模量和较高的强度，也是一种非常适合口腔领域使用的新型钛合金。由西北有色金属研究院于振涛等研制的新型β稳定型钛合金TLM和TLE合金具有易加工成各种材料(包括板、棒、丝等)、综合性能优良(如中高强度、较低弹性模量、良好塑韧性、抗疲劳、耐蚀等)的特点，也非常适合于齿科使用。徐丽娟等卜研究了一系列Mo含量不同的Ti.Mo合金，发现Mo含量增加有利于合金组织的细化和塑性的提高。Ti.Mo合金适宜作为牙科修复材料，是一种有发展前景的口腔修复用钛合金。

针对口腔用钛合金的抗菌性研究方面，张二林等研制了一系列的含铜钛合金，合金中的cu元素均以．Cu抗菌相形式存在，保证了合金的整体抗菌性。通过大量的实验对该材料的生物安全性及其体内外的抗菌性进行了验证，为该材料的临床应用奠定了良好的理论基础。郑玉峰等研制了新型抗菌功能型口腔正畸用TiNiAg合金，发现该合金的抗腐蚀性与纯钛相当，无明显的细胞毒性，但与TiNi合金相比表现出了明显的抑制细菌黏附的能力，而其强度、塑性等力学参数与TiNi合金相当，有望 成为一种新型的口腔正畸材料。TiGa和TiGe合金也适合发展成为新型的口腔修复材料。

钛合金作为正畸材料方面，镍钛合金弓丝在正畸临床应用大致经历了3个主要的发展阶段：①普通镍钛合金弓丝时代；②超弹性镍钛合金弓丝时代；③具有真正形状记忆功能的镍钛弓丝时代。第3代弓丝刚性低、回弹性好，其相变温度A在35左右，可在正常口腔温度内发生相变，从而表现出超弹性和临床所需要的形状记忆功能。口钛丝的弹性模量较低，回弹性好，且具有可成形能力，是正畸治疗中期及最后精细调整阶段的理想材料。目前取得应用的钛合金正畸丝材料为TMA，名义成分为Til1Mo6Zr4Sn。在TMA合金中只有Mo一种稳定结构的元素，而Mo由于熔点高，易氧化，在合金中不易均匀化引。Nb是结构稳定元素，可显著改善钛合金的塑性。因此，牛金龙等人以TMA钛合金为基础，通过添加Nb元素，使合金具有更高的结构稳定性，也更容易加工。

3.2口腔用钛合金的表面改性

根据不同的细分应用领域，口腔用钛合金的表面改性主要分为3个方向：提高钛瓷结合强度、提高生物活性、提高耐磨性。

3.2.1钛瓷结合强度

钛及钛合金在口腔修复领域应用时，由于钛瓷间的结合强度难以达到传统合金与瓷结合水平(25MPa)，临床应用易出现崩瓷现象引，因此增强钛瓷结合强度仍是目前研究人员所关注的焦点。

目前改善钛瓷结合强度的表面改性的方法主要有喷砂、微弧氧化、预氧化、化学处理以及表面涂层等。喷砂方法操作较为简便，通过工艺参数调整对钛表面进行喷砂处理均可以达到较好的钛瓷结合强度。微弧氧化法也是较好的一种提高钛瓷结合强度的方法，微弧氧化后钛瓷的结合强度能够提高45％左右。孙晟宇等研究发现，在700℃时对钛进行预氧化可明显增强纯钛与瓷的结合强度。预氧化温度对钛瓷结合强度有重要影响，当预氧化温度为750℃时，钛瓷结合强度达到最大值(28.9MPa)，与未预氧化相比提高了17％L37。纯钛经除气(真空状态)和预氧化处理后能获得较高的钛瓷结合强度(大于25MPa)，能够满足临床使用要求。

钛表面的过度氧化又会降低钛瓷结合强度，但在钛表面制备一层能够在高温下隔绝氧向钛晶格扩散的涂层，就可避免钛在烧结过程中产生过厚的氧化膜。目前表面改性的方法有很多，所使用的涂层元素有铬、铂、钯、氮、硅、锆等，钛瓷结合强度随涂层种类和方法的不同而有所差异，但钛表面涂层技术目前还停留在试验阶段，未能取得广泛使用。另外涂层法相对于喷砂、氧化等处理手段，需要相对较为复杂的设备装置，在齿科技工厂的普及存在一定现实困难。

3.2.2生物活性

钛及钛合金作为口腔领域的植人材料，在使用过程中还存在骨结合时间长、骨结合强度低及游离金属离子对人体组织的潜在影响等问题。通过表面改性使其表面具有生物活性并能够与骨组织形成生物性结合，是口腔种植材料研究的热点之一。李莺等以钛、种植体、表面改性、骨整合及其英文为关键词对国内外的2007年1月至2013年2月的相关文献进行了检索和分析，结果发现，牙种植体的表面特性可影响种植体植入后的生物学反应，决定组织细胞在其表面的黏附、增殖、分化及矿化，影响蛋白质的吸收，直接影响界面的骨愈合速度、骨结合率和骨结合强度，对种植体功能的正常行使具有十分重要的作用。加。众多研究者采用各种各样的方法来实现种植体的表面改性以达到早期骨整合和更高的结合强度，主要包括3种策略，即物理改性、化学改性和生物化学改性。物理改性主要指的是种植体表面超微结构的改变，包括钛浆喷覆、喷砂酸蚀、激光处理、电解蚀刻、离子注入、物理气相沉积、表面陶瓷化等；化学改性是通过改变载体表面的化学特性，使之产生与细胞表面分子之间的特异相互作用，不仅作用于细胞表面，而且会引起细胞内部结构和功能密切相关的变化，包括阳极氧化、溶胶凝胶、化学气相沉积、酸碱处理等；生物化学改性是通过将特定的蛋白、酶或肽固定于种植体表面，来诱导成骨细胞增殖分化，更为直接有效的促进骨整合，主要包括物理吸附法、化学固定法、层层自组装法及涂层载体法。林曦等。分析了近年来的研究热点——种植体表面的化学特征，从化学结构、润湿性、表面电荷、表面自由能等几个角度来进行分析，其目的在于更具体地解释表面改性后种植体活化的可能机制。结果发现，大部分的研究都显示亲水性的表面更有利于早期的骨结合，这可能是种植体表面带电荷越多，越能促进骨结合的形成；目前晶型的改变对表面活性的影响机制尚 不明确，值得进一步研究。孙磊等通过对已有文献的分析，发现钛基种植体表面的抗菌改性可降低细菌的黏附和增殖，从而降低种植体周围炎的发生率，提高种植义齿修复的成功率。这有利于进一步提高种植体的生物活性和相容性。

3.2.3耐磨性

钛及钛合金作为口腔用材料，良好的耐磨损性和抗疲劳性是保障其长期使用的一个关键因素。种植材料的耐磨性尤为重要，种植失败经常就是由于种植体过度磨损后残留物的积聚引起免疫反应，释放溶解酶，破坏骨质导致种植体松动脱落。纯钛的强度和耐磨损性能均较低，这不仅影响其在临床上作为种植体的应用效果，同时也限制了其在固定长桥、支架等方面的应用。

朱禹赫等副研究表明，在牙周维护过程中钛种植体表面可能受到不同程度的磨损，从而影响种植体的长期使用效果，因而提示术者在临床操作中必须熟练掌握牙周维护技能，严格控制工作压力与功率，耐心细致地进行种植体牙周维护治疗，避免钛种植体受到磨损。张哲等采用激光物理、等离子体增强化学气相沉积等方法，在口腔用钛表面制备的类金刚石膜具有良好的生物摩擦学性能，有望在临床应用中改善种植体／基台系统的长期稳定性，提高牙种植体系统的可靠性和服役寿命。

3.3口腔用钛及钛合金的3D打印制造

钛及钛合金在口腔领域应用时主要采用的加工方式包括精铸、机械精加工、焊接等，具有工艺流程复杂且实现个性化加工困难等缺点。如修复用钛卡环、支架、义齿等的制作需要经过可熔蜡料制成符合患者个体形态的蜡模，在其表面涂覆耐火包埋料，制成铸型后放置到铸造机中，熔化钛及钛合金注入型腔，开型，清理，激光修补，表面抛光等一系列的复杂工艺步骤。

新兴起的3D打印技术为口腔用钛及钛合金的加工提供了一种新的思路。3D打印技术是一种融合近净成形和增材制造的新技术，近年来取得了快速的发展，它可以完成复杂器械的一次成形，因此可以完成一些传统制造工艺无法完成的设计，制作出更复杂的结构，这为个性化医疗提供了契机卜。而口腔领域是最为典型的个性化医疗领域，钛及钛合金的3D技术已应用到其各个细分领域，可打印多孔支架作为组织工程的支架来修复颌骨缺损；可制作金属内冠、全冠，可摘局部义齿支架，全口义齿基托；可打印个性化舌侧托槽；可制作表面具有复杂结构的种植体，以利于更好的骨整合。

在口腔颌面外科方面，由于口腔颌面结构复杂，个性化特征明显，各种修复与整形手术中所需要的植入体或修复体的个性化要求相当高，采用传统加工方法难以满足要求。3D打印技术便于个性化定制，因而在口腔颌面修复领域中具有独特的优势_5。在国内，采用3D打印技术进行颌骨修复是目前最热门的研究。临床应用证明，钛合金3D打印下颌骨植入体制作精度高，解剖形态个体化，手术步骤简单，操作复杂性降低，手术风险小，避免了大块骨移植，术后患者下颌骨的完整性、连续性、颌面形态和功能即刻得到恢复，患者的咬合关系与术前无差异。

在口腔修复方面，3D打印技术将在未来逐渐代替传统修复工艺。3D打印可基于所获得的CAD数据，进行增材打印制作并完成口腔修复领域中的传统CAM过程，可同时加工多个金属冠l5。复义齿的三维打印设计包括牙基底、牙冠、牙桥、牙镶嵌等，当前的3D打印解决方案已经可以确保完美的匹配，从而减少手动干预，并实现高效、具备完美密合性的义齿加工，特别是针对复杂的临床案例，可创建复杂的内外冠结构，实现空间、功能和美学的最佳效果。传统的义齿制作是一项对操作者有着很高要求的工作，长期以来，我国牙科技师难于培养和留用。而3D打印速度快，精度高，既节约了时间和劳动量，而且方便个性化定制，将打破义齿行业的瓶颈，颠覆整个行业的商业模式。

在牙种植方面，通过3D打印成形的牙种植体的弹性模量更接近密质骨，能更好地满足即刻种植的需求，且其丰富的表面形貌及良好的生物相容性为其在临床应用提供了基础[60。意大利Leader公司已成功研发了“钛骨”3D打印种植体，该种植体是目前世界上第一个采用“3D激光打印金属直接成形技术”制作并获准上市的牙科种植。“钛骨”种植体为梯度多孔结构，核心为致密钛，而外表面为多孔钛。与传统种植体相比较，“钛骨”种植体的弹性模量更接近人骨。

在正畸方面，运用具备成本效益的常用矫治器CAD设计软件，3D打印技术可以轻松定制所有类型的矫治器，包括夜用咬合板、固位器、个性化带环、牙合板、扩弓器、生物调节器、双牙合板等。

4、结语

随着我国国民经济的快速发展、人口老龄化问题和人们更加注重健康，口腔领域用钛及钛合金牙种植体、颌骨修复钉板、义齿等用量将快速增长，但与发达国家相比，我国口腔领域用钛及钛合金从新型材料研发、表面改性、3D打印等新技术应用到有关的医疗器械研发都存在着差距，国内口腔领域用钛及钛合金产、学、研各界还要进一步密切合作，不断加强口腔用钛及钛合金的研究和应用。

(1)加快不含Al、V、Ni等元素的高生物相容性的口腔用钛合金，特别是口腔领域专用的钛及钛合金研发，同时推进其标准化。

(2)目前用钛合金的生产厂家由于缺乏针对口腔领域应用的统一和高质量的内控用材标准，这导致口腔用钛及钛合金参差不齐、批次质量稳定性差。

这将严重影响口腔用钛合金医疗器械的质量，口腔用常规钛及钛合金的质量水平应进一步提升。

(3)目前由于国内口腔领域的钛及钛合金的使用量相对较小，针对该领域使用的钛及钛合金的系统深人的摩擦学特性研究较少，由摩擦学特性所引起的器械寿命变化相应的研究更少。今后应进一步加强有关口腔用钛合金的摩擦学研究。

(4)钛及钛合金的3D打印技术在口腔领域普及的难度和瓶颈包括设备投入高、标准化推进缓慢、加工工艺研究少等问题。产、学、研界应密切合作开发专门用于研发生产口腔义齿、颌骨网板等的专用3D打印设备，进一步国产化并降低其成本和售价；加快制定3D打印钛及钛合金在口腔领域的行业标准，这对于推动钛及钛合金在口腔领域的应用也具有极为重要的作用。

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