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外科植入物用钛棒钛管的执行标准牌号及存在问题

发布时间:2021-02-24 15:23:32 浏览次数 :

外科植入物材料是用于对生物体进行治疗、 修复、替换病损组织器官或增进其功能的材料,要求材料具有生物相容性、优良的机械性能和耐腐蚀性能,主要用于生物体硬组织和软组织的修复、 替换以及人工器官的制造。 随着生物技术的蓬勃发展和重大突破,外科植入物材料及其产业将成为世界经济的新支柱 。

目前广泛应用的外科植入物金属材料有不锈钢、钻基合金、钛及钛合金、贵金属和纯金属(钽、铌等)五大类。 不锈钢价格低廉易于加工,但耐蚀性和生物相容性较差,弹性模量高;钴铬合金的耐磨性好,但密度较大,含对人体有毒元素;贵金属、纯金属有强耐腐蚀性,但价格昂贵 。

钛棒

钛及钛合金由于具有比强度高、生物相容性好、弹性模量较低、耐蚀性好等特点,成为理想的外科植入物金属材料,被广泛应用于人体骨、关节、牙科、整形外科、 心脏外科、体内支撑架等医学领域 。

1、外科植入物用钛及钛合金发展历史

外科植入物用钛及钛合金从应用初期至今经历了三个发展阶段 。

1.1 应用初期

钛在生物医学方面的研发史可追溯到上世纪40年代 当时证实了纯钛良好的生物相容性。 但由于医用不锈钢、钴铬合金在二次世界大战期间已开始盛行, 钛合金在生物医学领域的应用和发展比较缓慢。 自60年代起将纯钛用于口腔种植体后,纯钛作外科植入物材料才得到广泛发展。 随后Ti-3A1-2.5V也在临床上被用作股骨和胫骨替换材料。 纯钛及Ti3-Al-2.5V虽然在生理环境中抗腐蚀性优良, 但其强度较低、耐磨性较差,从而限制了它在骨科较大承载力部位的使用 。

随后,1954年美国水城兵工厂实验室研制成功的Ti-6A1-4V, 因具有较高的强度和综合的加工性能 , 逐渐由宇航工业推向医用,并于上世纪 70年代后期被广泛用于制作接骨板、 骯关节 、 髓内钉等外科修复或替换材料。直至目前, TI6A14V仍是广泛应用于外科植入物材料的重要钛合金 。

纯钛 、 Ti-3A1-2.5V 、 Ti-6A1-4V钛合金属于第一代外科植入物用钛及钛合金,这一时期材料就地取材,没有专门开发针对生物医学工程用的钛合金 。

1.2 发展阶段

随着临床医学发现V元素可引起呼吸、神经、胃肠和造血系统的损害, 降低生物体抵抗外界压力、毒素及致癌物的能力, 长期用于人体有潜在危害。

为扩大钛合金在医疗领域的应用,消除锐钒元素对生物体的毒副作用,上世纪80年代由瑞士Sulzer医学技术公司开发了Ti-6Al-7Nb钛合金, 并于1985年开展临床应用,取得了良好效果。 相继建立了ASTM F1295、ISO 5832-11等医用钛合金材料标准。 同时期 ,其他国家也研制了无钒医用钛合金, 如德国开发的Ti-5Al-2.5Fe医用钛合金, 并建立了ISO 5832-10国际标准。

自上世纪80年代未起,以Ti6-Al-7Nb为代表的第二代钛合金在国际得到认可后, 便在医疗行业广泛应用。

1.3 提高阶段

以Nb、 Fe等元素代替有毒V元素的第二代医用钛合金, 其性能较Ti-6A1-4V并无明显改进, 见表1 。

表1 外科植入物材料性能对比

牌号弹性模量E,GPa抗拉强度Rm, MPa屈服强度 Rp0.2 , MPa延伸率A%断面收缩率%
Grade. 11032401702430
Grad e.21033452752030
Grade.31034503801830
Grade.41045504831525
Ti-3Al-2.5V118 - 12362051515-
Ti-6Al-4V1128958251025
Ti-6A1-4V ELI100~110825760815
Ti-6A1-7Nb1149008001025
Ti-5A1-2.5Fe11210208951521
Ti-5Al-1.5B1109258201520
Ti-13Nb-13Zr79~84937~1037836~90810!1627~53
Ti-12Mo- 6Zr- 2Fe74~851060~11001000~106018 ~2264~73
Ti-15Mo786904832060
Ti-15Mo-2.8Nb- 0.2Si83~94l03299612~1659~62
Ti-35.3Nb-5.1Ta- 7.1Zr555975471968
Ti-29Nb-13Ta-4  .6Zr8091186413.5
CoCrMo (钻基合金)200~230600~1795275~1585

3 J6 L(不锈 钢)200465~950170~750

人体自然骨10~4090~140


第二代钛合金的弹性模量与人体骨弹性模量仍差距较大, 容易产生“ 应力屏蔽 ”,从而导致种植体周围出现骨吸收和功能退化, 最终引起种植体的松动或断裂而造成种植失败;同时随着医学临床的研究, 证明A1、V、Co、Ni、Fe、Cr等细胞毒性元素,长期植入人体内, 会降低细胞适应性, 造成骨质疏松和精神紊乱等病症。

自上世纪90年代起,美国、日本便开始研制采用Nb、Ta、Mo、Zr、Sn 替A1、V、Ni、Fe、Cr等有毒元素,且强度高、生物相容性好、 弹性模量更接近人体骨的第三代β型外科植入物用钛合金。如美国的Ti-13Nb-13Zr、Ti-15Mo-2.8Nb-0.2Si、Ti-15Nb、Ti-16Nb-10Hf,Ti-15Mo、Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr;日本的Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr、Ti-29Nb-13Ta-2Sn。至今,低模量亚稳定β钛合金仍是外科植入物用钛合金材料研究的重点。

2、外科植入物用钛及钛合金标准现状

我国外科植入物用钛及钛合金材料生产主要采用中国国家标准(GB或 GB/T)、美国材料与试验协会标准(ASTM)及国际标准(ISO)三类,见表2。

表 2 典型外科植入物用钛及钛合金现行材料标准

标准牌号主要产品类型引用标准
GB/T 13810-2017纯钛、Ti-6A1-4V、Ti-6Al-4V ELI 、 Ti-6Al-7Nb棒、丝、材lSO 5832-2-1999、ISO 5832-3-1996 、ISO   5832-11-1994 、ASTM F67-2006a、ASTM F136-2002a、ASTM  Fl472-2002、ASTM   F1295-2005 (合并等效采用)
GB 23102-2008Ti-6Al-7Nb棒、丝材ISO 5832- 11- 1 994(翻译等同采用)
GB 24627-2009Ni-Ti棒、管、板材ASTM F2063- 05(翻译等同采用)
ISO 5832-2-2018纯钛棒、丝、板材
ISO 5832-3-2016Ti-6Al-4V棒、丝、板材
ISO 5832-10-1993Ti-5Al-2.5Fe棒、丝、板材
lSO 5832-11-2014Ti-6A1-7Nb棒、丝材
ASTM F67-l3(2017)纯钛锻件 、棒、丝、板材
ASTM F136-13Ti-6A1-4V ELI锻件、棒、丝、板材
ASTM  F620-ll (2015)Ti-6Al-4V、Ti-6A1-7Nb、Ti-6Al-4V ELI挤压还料
ASTM Fl108-14Ti-6Al-4V铸件
ASTM Fl295-16Ti-6Al-7Nb棒、丝、板材
ASTM F1472-14Ti-6Al-4V锻件、棒、丝、板材
ASTM Fl580-18纯钛、Ti- 6Al-4 V
ASTM Fl713-08 ( 2013 )Ti-l3Nb-l3Zr棒、丝材
ASTM F1813-13Ti-12Mo-6Zr-2Fe锻件、棒、丝材
ASTM  F2063- l8Ni-Ti棒、管、板材
ASTM F2066-18Ti-15Mo棒、丝、板材
ASTM F2146-13Ti-3Al-2.5V无缝管材

国际ISO外科植入物用材料标准为ISO 5832系列。 涉及第一 、 二代钛及钛合金共 4 个标准(关于Ti-5Al-2.5Fe的ISO 5832-10 于2000年废止)。 国际ISO标准在内容上只规定了材料的基础属性, 如化学成分 、 力学性能和显微组织。

美国ASTM 外科植入物用材料标准为ASTM F系列 , 涉及了已临床应用的三代钛及钛合金材料,且标准的更新速度较快。美国ASTM 标准除材料基础属性外,还对尺寸公差、表面污染层和无损检测做了规定。 自2011年后,ASTM F系列钛标准更新中陆续加入了美国宇航材料的相应要求,如 AMS 2380“优质钛合金的认可及控制”和AMS 2631“钛及钛合金棒材及锻坯的超声波检验”。美国ASTM F系列的变化体现了外科植入物用钛材在质量体系上的高要求不低于宇航用钛材。

中国GB或GB/T标准主要通过采用美国ASTM及国际ISO先进标准制定,因此标准整体上与国外先进标准有一定的滞后性,性能指标虽与国外先进标准无差距,但缺少完善的质量保证体系及配套工艺。同时ASTM与ISO在力学性能检测方法上体系有差异, 因此在合并采用美国ASTM及国际ISO标准时,国内标准规定的塑性指标与国外先进标准有可能并不一致 。

钛板

3、存在问题

随着临床医学的进步,外科植入物用钛急剧攀升,国内很多医疗生产厂家已将钛合金材料植入物作为产品开发的重点,但还存在很多问题。

①材料研究仍以仿制或改进国外材料为主, 缺少真正的自主创新产品; 国内临床研究缺乏统计学意义, 不被国际认可研究成果转化慢 。

②国内外科植入物材料标准以等同翻译或修改采用ASTM及ISO标准制定, 但并无制定与之相配套的专用生产工艺、质量控制检验程序及相关法规。 现国内除个别有军工体系及美国宇航体系认证的企业能得到国外高端医疗机构认可外,绝大多数企业进入不了国外市场问。

③外科植入物产品生产厂家对钛合金材料牌号、性能缺乏科学认识,盲目认为符合标准的就行,不了解上游材料生产厂家是否有相应生产资质,材料追溯性不强;导致出现由于产品材料原因而造成多例植入物在体内发生断裂失效 , 引起医疗纠纷的事件 。

④对外科植入物用钛合金材料的研究力度不够。钛合金植入物材料的加工工艺、表面处理水平等都与世界先进水平有很大差距。

钛管

4、展望

作为外科植入物使用的主要金属材料之一,钛及钛合金已经得到了广泛认可。随着我国医疗改革的深入,外科植入物用钛合金材料的使用也会逐年增加,因此急需在以下几方面取得进展。

①改进现有外科植入物用钛及钛合金材料的不足 , 利用非晶化、表面纳米化和微晶化以及表面改性和活化技术,提高其生物相容性、化学稳定性 、耐磨性 ,使其综合力学性能大幅提高,促进其在骨科植入物或牙科修复物产品方面的临床应用。

②开发低弹性模量,高耐磨性能 、抗腐蚀性能及高断裂韧性,低裂纹扩展速率、 高损伤容限 , 并具有优良生物相容性的外科植入物用钛及钛合金材料。

③提高我国外科植入物用钛及钛合金加工材的质量水平, 材料的质量控制标准要与国际接轨,并加强材料的标准化创新工作。

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