醫(yī)用鈦合金棒鈦方塊的研發(fā)和應(yīng)用優(yōu)勢

一、引言

20世紀(jì)50年代，美國、英國、日本、蘇聯(lián)等鈦工業(yè)國家，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域開發(fā)應(yīng)用了鈦金屬材料。1972年，中國開始在外科植入物領(lǐng)域推廣應(yīng)用鈦金屬材料。60多年來，醫(yī)用鈦金屬材料的研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)、制造和臨床應(yīng)用等快速發(fā)展，形成了醫(yī)用不銹鋼系列、鈷基合金系列、鈦及鈦合金系列三大系列的格局，醫(yī)用鈦及鈦合金被譽為是繼醫(yī)用不銹鋼、鈷基合金之后崛起的第三代高科技新型金屬材料。至今，醫(yī)用純鈦和Ti-6Al-4V鈦合金在用于植入人體的金屬材料中，是持久滿足人體功能最理想、價格適宜的金屬材料。

二、優(yōu)勢

醫(yī)用鈦及鈦合金材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中發(fā)揮了重要作用，其使用特性的優(yōu)勢明顯。

1、優(yōu)異的抗腐蝕性能

鈦及鈦合金材料表面有一層致密、惰性和自鈍化極強的氧化膜，在眾多行業(yè)的介質(zhì)中具有優(yōu)異的抗腐蝕性能。華山醫(yī)院、上海冶金研究所進(jìn)行了模擬人體試驗用鈦及鈦合金材料的研究，結(jié)果表明：醫(yī)用鈦及鈦合金材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中使用同樣具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，模擬在36℃恒溫條件下，醫(yī)用鈦及鈦合金植入件可以長期埋入在人體系統(tǒng)中，接觸或浸泡在人體復(fù)雜的環(huán)境中，如骨、血液、酶、細(xì)胞、有機分子等，不會發(fā)生鈦的腐蝕，所以不會改變血液的成分，不產(chǎn)生細(xì)胞組織的病變，不會使人體發(fā)生過敏現(xiàn)象等病癥，這就保障了醫(yī)用鈦及鈦合金材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中使用具有優(yōu)良的生物相容性的基礎(chǔ)條件。

2、優(yōu)良的生物相容性

材料科學(xué)工作者對金屬材料的生物力學(xué)性能開展了外科植入物、矯形外科、神經(jīng)外科、心血管系統(tǒng)、口腔頜面外科等多科實驗和臨床應(yīng)用研究，結(jié)果證明：醫(yī)用鈦及鈦合金確實具有優(yōu)良的血液相容性，細(xì)胞組織相容性和力學(xué)相容性，生物相容性是金屬材料區(qū)別于其他金屬材料的必備的使用特性。

(1)優(yōu)良的血液相容性

醫(yī)用鈦及鈦合金植入件直接接觸血液，主要考察鈦材料與血液的相互作用，沒有發(fā)生鈦材料改變血液的性質(zhì)及其功能，也沒有發(fā)生血液對鈦材料的腐蝕和降解，沒有發(fā)生血液改變鈦材料的物理性能、力學(xué)性能和化學(xué)成分，也沒有發(fā)生鈦材料與血液發(fā)生反應(yīng)，這說明了鈦材料與血液的相容性良好。

(2)優(yōu)良的細(xì)胞組織相容性

醫(yī)用金屬材料的化學(xué)成分、類型、形態(tài)、表面質(zhì)量、性能等對人體系統(tǒng)細(xì)胞組織是有影響的。

基于V、Ni、Co、Cu等單一金屬元素對細(xì)胞組織的毒性，20世紀(jì)70．80年代，開展了模擬人體相容性研究，臨床應(yīng)用表明：醫(yī)用鈦及鈦合金(Ti-6A1-4V)接觸人體細(xì)胞組織并沒有發(fā)生毒性作用，顯示出鈦材料與細(xì)胞組織具有良好的相容性。

(3)優(yōu)良的力學(xué)性能相容性

醫(yī)用金屬材料制造的骨頭、關(guān)節(jié)、螺釘?shù)戎踩肴梭w系統(tǒng)中，一是其力學(xué)性能要承受住人體活動力如：彎曲、扭轉(zhuǎn)、擠壓、收縮等作用，二是其生物力學(xué)性能要滿足人體系統(tǒng)的需要。

20世紀(jì)70年代，復(fù)旦大學(xué)生物系與上海第六人民醫(yī)院合作開展了醫(yī)用鈦材料器件植入人體系統(tǒng)中的力學(xué)性能研究，結(jié)果表明：醫(yī)用純鈦和鈦合金材料的強度高、韌性大、疲勞性能良好等力學(xué)性能完全滿足植入物的要求，并指出：在人體系統(tǒng)承受活動力小的部位使用純鈦器件，在承受活動力大的部位使用Ti一6A14V鈦合金，因為其力學(xué)性能良好。

3、彈性模量小

幾種金屬材料的彈性模量比較見表一。

從表一看出醫(yī)用純鈦和鈦合金材料的彈性模量更接近人體骨的彈性模量，臨床研究表明：彈性模量是力學(xué)性能相容性的重要指標(biāo)，由于金屬材料的彈性模量遠(yuǎn)大干人體骨的彈性模量，會導(dǎo)致金屬材料的接骨與人體骨之間的應(yīng)力大，一是會使人體骨發(fā)生變形或位移，造成接骨處的金屬器件松動或產(chǎn)生應(yīng)力屏蔽現(xiàn)象，二是金屬器件的強度高，承受大的載荷，會使人體骨依賴性強，時間久了要導(dǎo)致人體骨的功能退化、變形或愈合性差，而醫(yī)用鈦及鈦合金材料的彈性模量與人體骨更接近，產(chǎn)生的應(yīng)力很小，大幅度減小人體骨的變形，使人造骨與人體骨幾乎是小范圍的同步運動，有利于接骨處人體骨的生長。

4、質(zhì)輕

在20"C時，純鈦的密度為4.5059/cm³，Ti-6A1-4V鈦合金的密度為4.459/cm³，同常用其他醫(yī)用金屬材料相比，醫(yī)用鈦及鈦合金材料是最輕的，制造的器件植入人體中減輕了人體的承載負(fù)荷量，有利于接骨后的康復(fù)活動。

5、無磁性

醫(yī)用鈦及鈦合金是無磁性的金屬材料，植入人體的器件不受電磁場的影響，也不受自然界雷電的影響，同其他使用有磁性金屬材料制造的植入器件比較是安全、舒適的。

6、無毒性

醫(yī)用鈦及鈦合金材料的無毒性，是植入人體中器件應(yīng)用具有良好相容性的基礎(chǔ)條件。面對人們對金屬元素V，Ni、Co溶于人體血液中呈離子狀態(tài)是有毒性的認(rèn)識和Al元素對人體神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生麻痹作用的認(rèn)識，冶金科技工作者超前開發(fā)無V、無Al的新型鈦合金，如瑞士Sulzer醫(yī)學(xué)技術(shù)公司于1978年推出無V鈦合金Ti一6AI．7Nb，如美國和日本在20世紀(jì)90年代研發(fā)出無Al新型鈦合金Ti-13Nb一13Zr(美國)、Ti-9Nb一13Ta．2Sn(日本)，臨床應(yīng)用均取得無毒性的良好效果。

但是，時至今日醫(yī)用純鈦和Ti．6A1．4V鈦合金仍然是制造植入人體器件的理想首選金屬材料，因為臨床至今沒有證明含V、Al的鈦合金材料是有毒的。

綜合醫(yī)用鈦及鈦合金材料的使用特征和臨床應(yīng)用至今的成果，表明其具有不可替代性，在生物學(xué)領(lǐng)域的市場中得到迅速擴(kuò)大。

三、研發(fā)

公司立項《醫(yī)用高精度鈦及鈦合金棒材研制》，于2009年10月6日獲得驗收通過，典型產(chǎn)品規(guī)格中3-中35·3000-3500mm產(chǎn)品精度級別為h9-h7，其化學(xué)成分和溫室力學(xué)性能、晶相組織、表面質(zhì)量、超聲波探傷等檢驗結(jié)果符合GB／T13810-2007或ASTM F136-2002a的標(biāo)準(zhǔn)，并獲得顧客認(rèn)可，2009年，公司生產(chǎn)高精度鈦及鈦合金棒材生產(chǎn)能力150-200噸，實際供貨8噸，2010年實際供貨66噸，是醫(yī)用高精度鈦及鈦合金棒材支撐著公司的發(fā)展。

近四年來，醫(yī)用鈦及鈦合金棒材市場競爭激烈，都在向生產(chǎn)高端產(chǎn)品方向開發(fā)，公司實現(xiàn)了高端產(chǎn)品的研發(fā)目標(biāo)后，利用自主研發(fā)的醫(yī)用高精度鈦及鈦合金棒材資源，及時轉(zhuǎn)向研發(fā)棒材產(chǎn)品鏈上的延伸深加工產(chǎn)品，促進(jìn)公司再轉(zhuǎn)型升級，增強競爭實力水平。

1、研發(fā)牙科領(lǐng)域醫(yī)用鈦塊金屬坯料。

20世紀(jì)90年代，國內(nèi)系統(tǒng)地研究牙科領(lǐng)域用鈦及鈦合金材料，中國第四軍醫(yī)大學(xué)的研究成果證明了國產(chǎn)醫(yī)用鈦及鈦合金材料應(yīng)用于牙科領(lǐng)域是可行的，作為修復(fù)缺損的牙齒，或替代缺損缺失的牙齒，或植入到人體組織內(nèi)以替代人體頜面部缺損、缺失的組織結(jié)構(gòu)等，可再現(xiàn)牙齒的咀嚼功能，美觀的特性和發(fā)言功能。醫(yī)用鈦及鈦合金材料無異常氣味、其導(dǎo)熱率小、有利于口腔中的應(yīng)用。在牙科領(lǐng)域中應(yīng)用的崛起發(fā)展了牙科用金屬材料，同常用的其他金屬材料相比，被認(rèn)可是牙科領(lǐng)域使用安全可靠、長期使用的首選金屬材料。

本公司于2006年開始探索牙科醫(yī)用鈦及鈦合金材料的生產(chǎn)工藝路線，當(dāng)年為國內(nèi)外顧客提供出純鈦牌號TAl、TA2的樣品3kg多，規(guī)格為①25×18mm/09、φ22×8mm/159材料質(zhì)量要求執(zhí)行GB／T13810標(biāo)準(zhǔn)或ASTM F136標(biāo)準(zhǔn)。

從表二看出，牙科領(lǐng)域醫(yī)用鈦及鈦合金方塊坯料的需求逐漸增長，雖然量小，但與同規(guī)格高精度棒材的銷售額相比提高了附加值85％以上。

牙科醫(yī)用鈦及鈦合金塊坯料的質(zhì)量控制要點：

(1)必須采用符合醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn)要求的海綿鈦制成電極，在真空白耗電弧爐或EB爐加真空自耗電弧爐中進(jìn)行熔鑄鈦錠至少熔煉二次。

(2)海綿鈦制成的電極塊在真空焊箱中進(jìn)行焊接，如果在大氣中焊接必須對焊縫區(qū)域進(jìn)行氬氣保護(hù)，防止高熔點鎢進(jìn)入鈦電極中。

(3)牙科用鈦及鈦合金塊坯料的化學(xué)成分應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)：GB／T3620．1-2007《鈦及鈦合金牌號和化學(xué)成分》，GB／T3620．2-2007《鈦及鈦合金加工產(chǎn)品化學(xué)成分允許偏差》。

(4)牙科用鈦及鈦合金塊坯料內(nèi)部不允許產(chǎn)生偏析。

(5)牙科用鈦及鈦合金塊坯料不允許化學(xué)成分發(fā)生對口腔具有危害或潛在的危害。

(6)牙科用鈦及鈦合金塊坯料內(nèi)部不允許有疏松、縮孔、氣泡、裂紋、夾雜物等冶金缺陷。

(7)牙科用鈦及鈦合金塊坯料的外觀表面不允許有嚴(yán)重的劃傷、裂紋、毛刺、凹凸等機械加工所致宏觀缺陷；不允許有污染。

(8)牙科用鈦及鈦合金塊坯料的外型尺寸必須符合顧客要求。

公司重點控制生產(chǎn)過程的質(zhì)量達(dá)到牙科用鈦及鈦合金塊坯料的要求，生產(chǎn)工藝路線見圖示。海綿鈦(有生產(chǎn)許可證全流程生產(chǎn))——入庫(驗收、質(zhì)量憑證標(biāo)識)——出庫——熔鑄鈦錠(檢驗化學(xué)成分及超聲波探傷)——壓力加工(開坯鍛造、軋制、拉拔、旋鍛)——退火(退火溫度)——線切割(不允許氧化)——精整(外型尺寸、表面質(zhì)量)—包裝。

2、研發(fā)鈦合金關(guān)節(jié)柄坯料

金屬材料制造的關(guān)節(jié)柄是外科植入物的重要應(yīng)用，1972年國產(chǎn)鈦合金材料股骨開始在臨床推廣使用，北京積水潭醫(yī)院、中國人民解放軍總醫(yī)院等10多個醫(yī)院開展了純鈦與Ti-6AI-4V鈦合金材料人造骨關(guān)節(jié)柄，臨床應(yīng)用研究，各醫(yī)院發(fā)表的科技報告都一致認(rèn)可醫(yī)用鈦及鈦合金材料的關(guān)節(jié)柄使用的優(yōu)勢顯著，近10年來用量迅速增加，但是用戶的數(shù)量很少，目前的生產(chǎn)量年約18-20萬支。

2010年，公司提出利用研發(fā)的醫(yī)用高精度棒材資源，開發(fā)其延伸深加工人造骨關(guān)節(jié)柄的毛坯料，這是公司產(chǎn)品轉(zhuǎn)型升級的重要舉措。公司投入一百多萬元購置設(shè)備和建基礎(chǔ)設(shè)施，201 1年2月，購置的J58．630電動螺旋壓力機投入生產(chǎn)，這是一臺電動多功能的模鍛機，通過精密模鍛制造方法生產(chǎn)鈦及鈦合金關(guān)節(jié)柄毛坯，如矩形截面關(guān)節(jié)柄、帶臺面關(guān)節(jié)柄、無領(lǐng)光面關(guān)節(jié)柄、有領(lǐng)關(guān)節(jié)柄等關(guān)節(jié)柄毛坯。

本公司生產(chǎn)流程見示意圖

醫(yī)用高精度鈦及鈦合金棒材——無心車床扒皮——下定長鍛料——加熱160—200度噴涂專用玻璃潤滑劑——潤滑劑晾干——加熱920-940度保溫20·40分鐘——制坯鍛造——修磨——再次涂潤滑劑——晾干——加熱920．940度保溫30分鐘——模具加熱——模內(nèi)精密模鍛——去模鍛件飛邊—退火830度保溫40分——精整——毛坯成品。

公司生產(chǎn)出股骨柄毛坯產(chǎn)品，引起顧客重視，認(rèn)為是為擴(kuò)大國產(chǎn)股骨柄的市場做出了貢獻(xiàn)。

3、研發(fā)假肢部件

公司針對人體假肢市場應(yīng)用金屬材料的發(fā)展空間大，決策研發(fā)人體假肢應(yīng)用醫(yī)用鈦合金部件。

公司選擇醫(yī)用高精度Ti-6Al-4V鈦合金光亮棒材規(guī)格030*65mm，使用J58—630電動模鍛機探索假肢用正偏心錐連接盤件和雙軸動踝件的制造方法。

在試生產(chǎn)中，公司自行解剖了雙軸動踝件觀察其高倍金相組織見表三。

依據(jù)表3看出，生產(chǎn)假肢醫(yī)用鈦合金部件，選用醫(yī)用高精度棒材極為重要。2011年4月28日，公司成功的生產(chǎn)出假肢用正偏心錐連接盤5件和雙軸動躁12件，顧客現(xiàn)場檢查，認(rèn)為外形尺寸、表面狀況均比以前試生產(chǎn)的質(zhì)量好，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，全部帶走進(jìn)行使用性能測試與精加工。

四、結(jié)束語

2011年，我們感覺到整體經(jīng)濟(jì)形勢在好轉(zhuǎn)，國內(nèi)外對醫(yī)用鈦及鈦合金材料的需求訂單不斷。但是，中國的鈦市場不穩(wěn)定，海綿鈦價格上升較快，還不容易買到，而鈦材加工業(yè)產(chǎn)品價格上不去，產(chǎn)品市場競爭激烈，顧客有更多的選擇，出現(xiàn)了一些中小民營企業(yè)停產(chǎn)或維持生產(chǎn)或觀望。

而對這種不確定因素的影響，本公司要走堅持在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的道路，必須創(chuàng)新、升級、調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，堅持再開發(fā)醫(yī)用高端產(chǎn)品、附加值高的產(chǎn)品，這是公司生存和發(fā)展的保證。

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