《医用低弹性模量钛锆铌铁合金加工材》编制说明

医用低弹性模量钛错锯铁合金加工材编制说明一、工作简况任务来源：2018年9月，国家重点研发计划项目“生物功能化新型医用金属材料及其产业化”（项目编号2018YFC,执行期20,中央财政总经费1296万元）在“生物医用材料研发与组织器官修复替代，专项的资助下获批立项。本标准第一起草人北京航空航天大学李岩教授为该项目负责人，同时作为课题负责人，承担课题二“无银记忆合金和低弹模钛合金及其产业化”。该课题研发的“低弹模钛合金唧为本标准中的“医用低弹性模量钛锦银铁“合金。2006年以来，北京航空航天大学李岩教授研发团队依托北京航空航天大学材料科学与工程学院、“特种功能材料与薄膜技术北京市重点实验室，、“北京市生物医学工程高精尖创新中心”自主开展了新型钛错基生物医用金属材料的研究工作。这些研究先后获得了北京市科技新星计划（2006-2009）1和两项国家科学基金面上项目（NO.、）2,3、国家重点研发计划（项目编号2018YFC）等的持续资助。经过十余年的应用基础研究，申报人团队研发出了多个具有自主知识产权的三元和四元钛错基合金体系（如钛结银铁和钛错银钥4-8）。这些合金大多具有高强度、高塑性、低弹性模量、优良形状记忆效应和超弹性，在骨科、齿科和外周血管植入物等领域展现出良好应用前景。适逢中国生物材料学会发布中国生物材料学会团体标准管理办法（试行）的契机，结合国内尚没有低弹性模量钛合金相关材料的标准的实际情况，北京航空航天大学联合中国食品药品检定研究院、深圳市药品检验研究院（深圳市医疗器械检测中心）、北京市春立正达医疗器械股份有限公司，特向学会提出起草医用低弹性模量钛错银铁合金加工材团体标准的申请。本标准起草工作组于2019年7月29日向中国生物材料学会提交了医用低弹性模量钛错银铁合金加工材标准立项申请。各起草单位在2019年9月开始合作编写标准草案，于2019年11月10日召开了第一次小组讨论会。会议上对标准草案进行了详细深入的研讨并制定了详细的工作计划，并随后根据评委会反馈意见，提交了补充说明。2019年12月20日，通过了学会标委会评审,成为2019年第II批拟同意立项项目。起草工作组单位：本标准起草单位和起草人如表1所示。表1标准起草单位和起草人序号起草单位名称起草人1.北京航空航天大学李岩、李启泉、何东磊2.中国食品药品检定研究院王健3.深圳市药品检验研究院（深圳市医疗器械检测中心）王书啥4.北京市春立正达医疗器械股份有限公司王振国本标准由北京航空航天大学负责主导起草，中国食品药品检定研究院、深圳市药品检验研究院（深圳市医疗器械检测中心）、北京市春立正达医疗器械股份有限公司参加起草。北京航空航天大学是北京市“北京市生物医学工程高精尖创新中心”（北航医工交叉研究院）和“特种功能材料与薄膜技术北京市重点实验室”依托单位，多年来在新型生物医用金属材料，如形状记忆合金、低弹性模量钛合金、可降解镁合金和铁基合金等领域承担了多项国家级和省部级科研项目，发表了大量学术论文，获得多项发明专利授权。中国食品药品检定研究院和深圳市药品检验研究院是国内权威医疗器械检测单位，目前正依托国家重点研发计划开展低弹性模量钛合金等新型医用金属材料标准的制订工作。北京市春立正达医疗器械股份有限公司是国内骨科医疗器械公司中的龙头企业，公司已经开发出近百款钛合金医疗器械，并把低弹性模量钛合金骨科植入器械作为未来重点发展方向之一。本标准起草团队均为各自所在行业的优势单位，在产、学、研结合方面特点突出，为标准制订工作的顺利实施奠定了良好基础。主要工作过程：“医用低弹性模量钛错银铁合金”是申报人在研发钛基无银形状记忆合金过程中发现的新型医用低弹模钛合金材料，已于2013年获得国家发明专利授权7。该合金典型成分为Ti-19Zr-10Nb-lFe,具有良好的耐腐蚀性能和生物相容性，经过适当的热机械处理，可获得高强度、高塑性和较低的弹性模量（E=5565GPa,比临床应用Ti-6A1-4V合金的弹性模量低40%左右）。合金较低的弹性模量可以减轻用作骨科植入物时引起的应力遮挡效应，继而减少甚至避免骨折愈合过程中应力遮挡引起的骨质疏松和植入物松动、失败。该合金与其他一些低弹模钛合金，如Ti-29Nb-13Ta-6Zr（TNZT,日本）、Ti-24Nb-4Zr-8Sn（Ti2448,中国）相比，高熔点合金元素Nb和Ta的含量大幅度减少，从而显著降低了合金的熔炼、加工难度，同时大幅度降低了合金成本。2018年以来，在国家重点研发计划支持下，研发团队对Ti-WZr-IONb-IFe合金进行了工程化研究，已经成功制备出50公斤级Ti-IQZr-IONb-IFe合金的板材、棒材和丝材，其强度、塑性和弹性模量性能指标已经达到课题指标要求。目前，正在联合本标准合作申报单位开展合金疲劳性能和生物学特性检测、骨科钉板系统样件制备及性能评价等工作。团体标准主要起草人及其所做的工作：李岩，主要负责Ti-19Zr-10Nb-lFe合金的合金设计、团体标准起草李启泉，主要负责Ti19Zr-10Nb-lFe合金力学性能和模量研究、团体标准起草何东磊，主要负责Ti-WZr-IONb-IFe合金团体标准起草王健，主要负责Ti-WZr-IONb-IFe合金团体标准起草王书啥，主要负责Ti-19Zr-IONb-IFe合金团体标准起草王振国，主要负责Ti9Zr-IONb-IFe合金团体标准起草参考资料1李岩，北京市科技新星项目（B类）：“生物医用新型Ti基形状记忆合金研究”（2006-2009年）2 .李岩等，国家自然科学基金面上项目：新型TiZr基合金马氏体相变及形状记忆特性研究，No.,20082010年3 .李岩等，国家自然科学基金面上项目：钛基形状记忆合金宽温域超弹性机理研究，No.,2014-2017年4 .李岩、徐惠彬、崔琰、于开元，一种钛错铁形状记忆合金材料，ZL.7,授权日：2008年U月12日5 .李岩、崔琰、徐惠彬，一种钛错铝锡高温形状记忆合金材料及其制备方法，ZL.5,授权日：2009年2月18日6 .李岩、崔琰、徐惠彬，一种钛错基三元形状记忆合金材料及其制备方法，ZL.2,授权日：2009年9月16日7 .李岩、薛鹏飞、徐惠彬，一种钛错铜铁形状记忆合金及其制备方法，ZL.5,授权日：2013年9月18日8 .李岩、姚礼、张德元，一种具有宽温域超弹性的钛错铜但形状记忆合金及其制备方法，ZL.3,授权日：2016年1月20日二、确定学会团体标准主要技术内容（如技术指标、参数等）的论据（包括试验、统计数据）标准起草小组人员和主编、及各参编单位相关的科研人员进行充分试验论证和研讨，根据已有的生产、测试和科研成果，规定本标准的主要内容为：医用低弹性模量钛错银铁合金加工材的性能要求、试验方法、检验规则及标志、包装、运输、贮存、质量证明书和合同（或订货单）内容。8.1 本标准规定了名义成分（质量百分数）为18%20%错、9%12%银、0.5%-2%铁的医用低弹性模量钛错银铁合金加工材的性能要求、试验方法、检验规则及标志、包装、运输、贮存、质量证明书和合同（或订货单）内容。适用于医用退火状态医用低弹性模量钛错银铁合金板材、棒材和丝材。8.2 本标准适用于医用低弹性模量钛锦银铁合金板材、棒材和丝材。8.3 本标准适用于退火状态医用低弹性模量钛错银铁合金。8.4 根据棒材实际用途和实验数据提出了以下要求1）产品的化学成分应符合表2,化学成分允许偏差应符合GB/T3620.2的规定表2合金成分八分口近牌号化学成分（质量分数）/%主要成分杂质元素，不大于TiZrNbFeCHON其他元素单一总和Ti-19Zr-IONb-IFe余量18-209-120.5-20.100.020.200.080.100.402）化学成分的确定依据，C、H、0、N的成分含量确定参考GB/T3620.1。3）材料的规格满足表3要求表3尺寸规格牌号状态规格mm板材棒材丝材厚度宽度长度直径长度直径长度Ti-19Zr-IONb-IFe退火态1-253001000500-30007.090.0300-4000057.0500-1000棒材的外形尺寸及允许偏差应符合GB/T2965的有关规定。丝材的外形尺寸及允许偏差应符合GB/T3623的有关规定。板材的外形尺寸及允许偏差应符合GB/T3621的有关规定。4）力学性能的确定依据（非比例延伸强度、拉伸强度、断后伸长率、弹性模量、弯曲性能的控制标准）为了确定力学性能，北京航空航天大学联合各参编单位按照相关标准共同制定了实验方案，并由北京航空航天大学、中国食品药品检定研究院分别按同种条件下的试验方案进行了材料力学性能检测，所得出的试验结果如下所示。表4摘自北京航空航天大学检测报告的数据加工材类型试样编号规格mm非比例延伸强度RpO.2MPa抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A%弹性模量EZGPa板材13.0553473927.062.623.0753573427.559.833.0452974427.458.443.0852672826.861.253.0554375127.260.963.0353874228.161.3平均值3.0553474027.360.7棒材116.0258572235.060.0216.0159872332.061.5316.0258971730.562.8416.0057371333.860.7516.0258471932.361.4616.0157972831.963.2平均值16.0158572032.661.6丝材14.0159672429.659.824.0060373228.458.434.0059473730.258.244.0058472827.960.354.0160773429.161.564.0060172928.759.5平均值4.0059873129.059.6表5摘自中国食品药品检定研究院检测报告的数据加工材类型试样编号规格mm非比例延伸强度Rp0.2MPa抗拉强度RmZMPa断后伸长率A%弹性模量E/GPa板材13.0251970624.661.523.0352271324.959.633.0751871823.561.843.0652470124.760.253.0451770425.159.263.0652971222.360.7平均值3.0552270924.260.5棒材116.0156470333.460.2216.0255872232.861.9316.0255371934.362.3416.0254971335.660.4516.0356171036.759.8616.0253970732.661.8平均值16.0255471234.261.1丝材14.0157470631.558.224.0256571529.757.434.0158371333.256.344.0057670931.458.654.0058870630.559.864.0257171829.361.5平均值4.0157671130.958.6表6各检测单位的数据汇总分析加工材类型检测单位非比例延伸强度RpO.2MPa抗拉强度RmZMPa断后伸长率A/%弹性模量EZGPa板材北京航空航天大学53474027.360.7中国食品药品检定研究院52270924.260.5平均值52872525.860.6棒材北京航空航天大学58572032.661.6中国食品药品检定研究院55471234.261.1平均值57071633.461.4丝材北京航空航天大学58572032.661.6中国食品药品检定研究院57671130.958.6平均值58171631.860.1人体骨的弹性模量约7-30GPa,植入材料和人骨弹性模量相近可以有效避免应力遮挡效应，更有利于骨的恢复。目前临床使用的钛合金弹性模量为IooGPa左右，远高于人骨，弹性模量的严重错配会产生应力遮挡效应，容易引起的骨质疏松和植入物松动。目前国际上已经获得材料标准的或者已经报道的低弹性模量钛合金的弹性模量在74-85GPa之间，国内的低弹性模量钛合金，弹性模量在42-72GPa之间。结合我们的材料测试数据，我们将Ti-19Zr-10Nb-lFe的弹性模量规定为S65GPa,这个数值在国内同类材料的弹性模量数值区间，比国际上报道的低弹性模量钛合金要低，具有一定的优势。参考已经获得ASTM外科植入钛合金材料标准的Ti-13Nb-13Zr合金抗拉强度（固溶态，550MPa）、非比例延伸强度（固溶态，345MPa）和断面收缩率（固溶态，30%）,结合我们的材料自测数据，我们分别设定了Ti我9Zr10NblFe退火状态下不同规格加工材的力学性能（所有形态下的性能会标均优于Ti-13Nb-13Zr）。5）显微组织板、棒、丝材显微组织应为纯相，原始晶粒应充分破碎。6）晶粒度板、棒、丝材的平均晶粒度应不粗于GB/T6394中的5.0级。7）晶粒度的确定依据低弹性模量钛合金的医用主要针对外科植入物开发，晶粒度的控制参考GBT13810外科植入物钛及钛合金加工材中对晶粒度的控制要求。8）表面污染板材应无任何富氧层及其他表面污染。9）板材和棒材应进行超声检测，其中厚度不大于6.0mm的板材应符合YS/T1001的规定,厚度大于6.0mm的板材应符合GB/T5193中Al级的规定;直径不大于50.0mm的棒材应符合GB/T5193中Al的规定，直径大于50.0mm的棒材应符合GB/T5193中A级的规定。10）表面质量板材应以酸洗、水磨、喷砂或机加工表面供货。棒材应以车（磨）光表面交货，表面粗糙度Ra值应不大于3.2m丝材应以酸洗或磨光表面供货；不准许有裂纹、起皮、氧化皮、压折、过碱洗、金属及非金属夹杂；板材不应有分层；材表面允许有轻微的不超过直径允许偏差的局部划伤、擦伤、斑点和凹坑等；板材和棒材允许清洗,但清洗后板材的厚度和棒材的直径需仍满足尺寸要求。三、主要试验（验证）的分析、综述报告，技术经济论证，预期的经济效果1、主要试验的分析：退火态合金室温拉伸性能应符合表7的规定。表7室温拉伸性能抗拉强度RmZMPa规定非比例延伸强度RPoRMPa断裂后伸长率A%弹性模量E/GPa板材650.02500.015.065.0棒材650.02550.020.065.0丝材2650.0500.0220.065.02、综述报告：医用钛合金被广泛用于外科植入物和矫形器械，以Ti-6A1-4V为例，在关节假体领域使用非常广泛，具有非常优异的生物相容性，然而在人工股关节翻修手术中发现钛合金假体周围骨组织存在感染和黑化现象;且无菌松动使术后80%的人工关节需要翻修。研究结果证实，Ti-6A1-4V中的V是对生物体有毒副作用的元素，其生物毒性要超过Ni和Cr；而造成人工假体松动的主要原因是传统钛合金材料化学性质不稳定，可导致炎性反应和纤维包囊。另外，较高弹性模量的Ti-6A1-4V（HO-IUGPa）与低模量自然骨之间的弹性不匹配也会引起骨吸收、骨萎缩及假体松动等一系列并发症。为获得更加适合于人体的医用钛材，瑞士和德国在90年代中期先后开发出以Nb和Fe替代生物毒性元素V的+型两相医用钛合金Ti-6Al-7Nb（瑞士）和Ti-5Al-2.5Fe（德国）；但随后的研究结果显示，两种合金仍含有毒性元素AI和Fe,而且AI被证实会引起骨软化、贫血和神经紊乱等症状。基于生物相容性、力学相容性和植入物安全性等综合性能要求，研究者们从上世纪90年代开始研究无毒性、生物相容性良好、强度高、弹性模量低以及满足疲劳性能的型钛合金，包括近钛合金、亚稳钛合金和稳定钛合金。现已研制成功的新型钛合金主要包括Ti-13Nb-13Zr（美国）、Ti-12Mo-6Zr-2Fe（TMZF,美国）、Ti-35Nb-5Ta-7Zr（美国）、Ti-15Mo等（美国），Ti-15Mo-5Zr-3Al（日本）、Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr（日本）等，以及Ti-30Ta（德国）等多种合金体系。其中Ti-13Nb-13Zr是美国在1994年研制且最早被正式列入国际标准的第一个低模量近型医用钛合金，弹性模量约为80GPa;随后又开发出亚稳定型TMZF钛合金，其股关节假体系统的股骨柄已在中国获得临床应用。我国从上世纪70年代开始进行医用钛合金材料的研究，低弹性模量起步更晚，直到2005年以后才陆续开发出Ti-5Zr-6Mo-15Nb（TLE,西北有色金属研究院）和Ti-3Zr-2Sn-3Mo-25Nb（TLM,西北有色金属研究院）及Ti24Nb-4Zr-8Sn（Ti2448,中科院金属研究所）等合金体系，但是都没有得到临床应用。美国1993年已经形成了成熟的医用Ti-13Zr-13Nb材料标准（ASTMFI713-08）。但是，国内尚无低弹性模量钛合金相关标准获得发布。目前，国家医疗器械监管部门对医用材料的标准化提出了明确要求，标准的缺失严重阻碍了新型高性能材料在医疗行业的应用和推广。低弹性模量钛合金在骨科植入物领域表现出明显的技术先进性和良好的市场前景。相关材料标准的制定对推动低弹性模量钛合金医疗器械研发和临床应用具有重要的战略意义。3、技术经济论证：本标准的制定，充分考虑生产单位和使用单位对产品质量、性能及检测方法的要求及国内外当前的生产技术水平，力争标准切实可行，具有可操作性，能够被生产和应用单位普遍接受。钛错银铁合金作为医用植入材料比当前市场上广泛使用的Ti-6AI-4V合金弹性模量低40%左右。较低的弹性模量可以减轻钛合金用作骨科植入物时引起的应力遮挡效应，继而减少甚至避免骨折愈合过程中应力遮挡引起的骨质疏松和植入物松动、失败，所以这类材料的临床转化意义重大。国内尚无低弹性模量钛合金相关标准，本标准的制定将填补这项空白。本标准的起草将为低弹性模量钛锦银铁合金提供技术要求、检验方法和检验规则等相应标准依据，同时为其作为医疗器械的开发、评价、审批提供助力。4、预期的经济效果：在外科植入物领域，市场规模庞大。以骨科植入耗材为例，2014年到2016年，骨科植入物的总市场规模从133亿元增长至169亿元，2020年市场规模预计达到260亿元。而在骨科植入物细分的三大类中的创伤类植入物，国内市场规模在2009-2013年由20亿元增长38亿元，2018年达86亿元，年复合增长率为17.6%。本项目低弹模钛错锯铁钛合金所制作的骨科产品有望创造可观的经济和社会效益，在外科植入物领域带来革命性的影响，使中国在这一研究领域迅速进入国际前沿，占领技术制高点。本项目成果会促进中国在医用金属材料领域的研究与应用进入国际前沿，占领技术的制高点，从而促进我国相关医疗器械产业的创新发展。同时，本项目紧跟国家在推动高性能医疗器械技术创新发展的相关政策，开展生物功能化新型医用金属材料及其产业化的关键技术研究，对发展具有自主知识产权的国产高端植入耗材、提高我国医疗器械行业的国际竞争力、打破跨国公司垄断、降低人均药占比和医疗成本均具有重要的现实意义，将会产生巨大的社会效益。四、采用国际标准的程度及水平的简要说明拟申请标准为新标准，未采用相关国际标准。五、与有关的现行法律、法规和强制性标准的关系拟申请标准为新标准，与国内已有医用钛合金标准内容上没有重合和冲突，是对医用钛合金加工材标准的进一步完善和补充。六、重大分歧意见的处理经过和依据无。七、其它应予说明的事项无。