医用钛棒钛板等钛合金在移植和矫形外科的应用

钛具有密度低,为4.5克/立方厘米,是钢的60%左右,重量轻可以增加病人舒适感和活动功能。强度高,比强度大,外科手术中,植入物的强度水平应高于自然骨,钛及钛合金的屈服强度为207-1379MPa,而自然骨为83-117MPa,故能够满足性能要求。无磁;导热系数小,仅为钢的1/5,铝的1/3,铜的1/2;线膨胀系数小,为碳钢的1/5,为不锈钢的一半;植入物和自然骨之间弹性模量的协调,对于延长使用寿命至关重要,自然骨必须弯而不断。骨的低弹性模量约为16.5×103MPa,而钛为钴和不锈钢之半,即102.7-113.3×103MPa。钛的弹性模量低,对于人体接受植入件非常重要,同时减少了结合界面上的附加应力,延长了系统的使用寿命。钛设备、钛换热器、钛反应釜、钛蒸发器、抗阻尼性低;耐热性好,在500℃左右仍能保持良好的机械性能;耐腐蚀性能好。

基于以上特性,这为钛在牙科、人体移植、人体矫形外科方面,以及在制药设备、医疗器械等方面应用提供了条件和基础,具有较好的前景。目前,主要应用的钛合金有:纯钛,Ti-6Al-4V,Ti-6Al-4VELI,Ti-6Al-7Nb,新型β型钛合金,Ti-Ni合金等。本文探讨的就是钛在这些方面的应用。

钛在移植方面的应用

人工关节及人工骨替代材料应具备以下几个基本性质:轻质高强材料,具有生物相容性、耐蚀性,植入物在体内所发生的组织反应不引起材料的劣化,重复应力引起的疲劳、破损少等性质。

金属植入体最重要的性能是成形型、机加性和抛光性,在预期的寿命期内必须保持功能,在经受疲劳、磨耗、腐蚀和冲击载荷时不会劣化,钛及钛合金符合全部上述要求。

外科用移植材料规定使用的钛材以纯钛和Ti-6Al-4VELI合金为主。最近,与人体亲合性良好的移植材料Ti-6Al-7Nb及Ti-13Nb1-13Zr也取得了ASTM标准认可。

用钛棒做人造骨,细胞可在其上再生,骨骼可以生长,钛与人体骨、上皮、缔造组织都具有良好的亲合性。为了改善与人骨连接的植入材表面质量,对粗化表面进行生物陶瓷层也是较为有效的方法。

目前,钛及钛合金钛设备、钛盘管、钛换热器、钛反应釜、钛蒸发器、已广泛用于人工骨关节、人工骨、接头脚板、断骨固定器、骨髓内钉、人工心脏瓣膜、头盖骨等。据统计,中国每年对钛合金人工关节的需求量超过5000套,临床应用效果良好。

钛在矫形外科的应用

医用钛合金弹性模量比不锈钢更接近于人体骨骼,适用于人体矫形手术中。

在矫形外科方面,多使用钛镍形状记忆合金。研究表明NT-SMA是集耐磨、耐腐、形状记忆效应、伪弹性和声阻尼等性能与一体的新材料,在骨科的应用日趋广泛,除了常用的接骨板、髓内针、下颌骨内固定、脊柱侧弯矫正等外,上海长海医院又对NT-SMA进行了系列设计与临床应用,如NT-聚髌器、NT-弧叉钉、NT-弓形器、NT-飞蜓器(专为骶骨重建而设计)等,取得了满意的疗效。

对于应用到人体的钛合金材料,各国仍在不断努力探索,寻求更加安全可靠的新型钛合金,为全世界人民造福。