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生物医用钛合金材料研发、生产与应用

发布时间:2021-01-16

  油井管在石油工业中占有重要的位置,石油天然气勘探开发消耗大量油井管。据国际权威统计,每钻进一米,约需油井管62kg,2012年我国消耗油井管350万吨(三桶油和延长石油公司),耗资几百亿元人民币。
 
  油井管在石油工业中的地位,最主要的是其质量、性能对石油工业的发展关系重大。油井管服役工况条件恶劣。通常要承受几百甚至上千个大气压的内压或外压(塔里木油田最高压力可达120MPa),几百吨的拉伸载荷,还有高温及严酷的腐蚀介质的作用。
 
  油井管损坏有时会导致油气井报废。我国西部油田一口油气井的成本约几千万元甚至上几亿元人民币。油井管的安全可靠性、使用寿命和经济性对石油工业关系极其重大。据国际钻井承包商协会(IADC)统计,每起钻柱断裂事故平均直接损失为10.6万美元。
 
  钛合金油井管材料优点和应用现况
 
  钛合金油井管具有优异的耐应力、耐腐蚀、耐高温高压、抗断裂性、高熔点、无磁性、高抗震性和良好的机械性能:
 
  一、前言
 
  生物医用材料主要用于诊断、治疗、修复或替换人体组织、器官或增进其功能的一类高新技术材料,与人类的健康息息相关。其中医用金属材料钛合金,量大面广,附加值高。
 
  从骨、齿科硬组织修复替代方面来说,全球骨科修复替代产品市场2000亿美元/年,国内需求量>300万套/年,而钛合金的低模量、高强度特性和人体组织有非常好的匹配,恰恰适合用于骨科的替代性产品。是一个很大的市场。
 
  目前中国医用钛材市场的90%以上是传统钛合金外科植入材料。由于铝、钒等材料含量较高,存在以下问题:
 
  1.施体安全性无法保证。铝、钒等材料在人体长期使用有毒副作用,与受体之间化学不稳定。
 
  2.生物力学相容性有待提高。模量欠匹配;强韧性不够;稳定性欠佳;耐用性一般。
 
  3.组织不均匀及使用耐久性有待提高。耐蚀性、疲劳性能有待提高。
 
  因此,对现有材料进行优化和升级至关重要,包括细晶化(微纳化)、多孔化、表面改性、3D打印技术等都需要提高,总体来说,医用钛合金材料的发展,要么研发新材料,要么立足现有材料进行优化升级。
 
  二、生物医用钛合金材料研发与生产现状
 
  从上世纪40年代末期开始,医用钛及钛合金经历α型、α+β型、β型三个时代发展,已成为应用于临床最好的金属植入材料。
 
  新型医用钛合金材料的研发方面,在保证不含有毒、过敏元素的基础上进行成分设计,已陆续开发出多种新型医用β钛合金。
 
  β钛合金剔除了传统的铝、钒元素,可以满足高强度的要求,可用于不同医用用途,做牙齿、关节、血管支架,多种新型医用β钛合金已陆续研发出来,其中美国、中国等在β钛合金研制方面已走在国际前列。目前,在外科植入物用钛合金材料标准建立方面,国际ISO医用钛合金材料标准已达7种,中国仅有3种(等效采用),虽然产品很多,但在医用钛合金材料标准化进程方面,仍滞后于国际标准。
 
  这就给我们提出了两个困扰产业发展而急需解决的问题:
 
  1、各种国内开发的新材料,何时才能标准化,允许广泛投入临床使用?
 
  2、材料应当具有何种性能,才能满足临床需要?
 
  三、生物医用钛合金在高端器械中的应用
 
  目前,我国人均年消耗医疗器械产品费用远低于日本、美国、瑞士等发达国家,随着社会、经济的迅速发展,人们生活水平的提高,对生物医用材料及其制品的需求仍将持续上升!以牙种植体为例,我国牙种植体消耗量正以每年30%-40%的速度增长,而我国还有1亿人以上需要种植牙治疗,预计未来5-10年,牙科种植行业仍处于快速发展期。此外,在我国,冠心病患者已超过1000万(全世界每年死于心血管疾病患者1500万),心血管介入材料的年市场需求量达到3百亿元,目前介入治疗例数平均年增长25%!下一步,植入性癌症检测仪、植入性血糖检测仪、植入性胰岛素泵、植入性心脏起搏器、人工耳蜗等都可能成为应用和研发热点。
 
  面对这么一个庞大的市场,我国的现状却是高端生物材料国产化率低,严重依赖进口,进口产品价格昂贵,导致“看病贵”,中国患者人数众多而就诊率低等问题。而我们广大的钛加工企业,因为技术水平低,只能在低端市场苦苦厮杀。
 
  所以国内广大钛医疗企业企业要切忌浮躁,踏踏实实练好内功,进一步提升医疗器械的数字化、智能化、高精准化和网络化水平,早日进入蓝海市场。
 
  四、结语
 
  从市场方面讲,随着我国人口持续增长、人口老龄化、健康生活质量需求提高以及医疗保健卫生事业不断发展,医用器材的产品也需要逐步更新换代,向多功能、智能化方向发展,大力发展医用钛合金材料产业任重道远,前途光明!
 
  国家战略方面,中国制造2025要实现制造业升级,重点发展新材料、生物医药及高性能医疗器械等十大领域(七大战略新兴产业),要求提高工艺水平和产品质量,由低成本竞争优势向质量效益优势转变。这是钛合金材料产业的福音,而医疗器械发展也有望迎来黄金时期!因此,开发高品质的医用钛合金材料就显得迫在眉睫。为此,医用钛合金材料产业首先要解决好钛材残废料严禁加入铸锭熔炼、冶金质量严格把关、显微组织均匀和细晶化控制、综合力学性能匹配优良、严把医用钛加工材无损检测关等五个问题,树立精品理念,在时代发展和市场竞争中争得一席之地。“钛生活新时代”是这次中国钛谷论坛的主题,钛材料在医疗器械中的广泛应用,很好的诠释了这个主题,希望能有更多的企业家和科研工作者投入这个前景广阔的领域,为造福人类而努力!

  作者:西北有色金属研究院生物材料研究所所长 于振涛
  稿件来源:钛博会组委会宣传处供稿

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