钛在医疗领域的发展状况
前言 

2020年新冠肺炎全球蔓延,国际钛协会取消了原定于2月9~10日在新加坡的亚洲钛会以及5月4~6日在爱尔兰都柏林的欧洲钛会。2021年5月3~6日,欧洲钛会预计将在爱尔兰都柏林举行, 亚洲钛会已经重新计划与下一届新加坡航空展时间一致。 

新冠肺炎对全球钛企从原材料生产、航空件生产、医疗植入物生产以及分销商等都感受到了紧缩。根据三届世界钛会对医疗用钛的评述,笔者进行了综合概述。 

2018年亚洲钛会 
Edge International公司总经理Stephen Smith在大会中列举了医用级原材料,其中包括钴基生物材料(CoCrMo;L605);塑料(UHMWPE/超高分子量聚乙烯、PEEK/聚醚醚酮)特种金属生物材料(陶瓷);特种钢(不锈钢316L;455;17-4PH))和钛基生物材料(纯钛和Ti-6Al-4V/ ELI;超低间隙材料)。他在报告中称,对于医疗级原材料的客户来说,第一梯队的就是原始设备制造商,其销售收入超过了10亿美元,占全球市场的65%(2018年),拥有自己的内部制造、补充合同制造商。第二梯队(超过1亿美元到10亿美元)由34家公司组成,占市场份额的18%,但只有不到100家较小的原始设备制造商,它们的内部生产能力有限,也依赖合同制造商来制造零部件。 

分销商在医用级原材料供应链中发挥着关键作用。他指出,分销商提供增值服务,如及时交货来管理库存成本、精密研磨和锯切、原型制作以及供应非标准等级的材料。在定义分销商的角色时,Smith希望在订单方面,原始设备制造商尽可能地与分销商合作。这一协议可使分销商能够与制造厂谈判达成长期价格协议和原材料合同,从而使分销商能够提供确定的价格,材料充足且稳定,根据需要交付,以满足其生产计划。

Smith第二份关于钛在医疗科技中的应用的报告中指出,2018年医疗设备使用超过4,000吨的钛材,“从头到脚”等生物医学植入物内固定(骨板,螺丝和固定针),假肢,肢体关节置换,牙科植入物,身体内部设备,以及手术器械。他对医用钛的未来前景看好。预计在未来五年内医用级原材料的增长率为3~5%/年。医疗行业将继续研究钛的新的创新用途。根据其网站(http://www.edgeintl)上的信息,Edge是一家医用级原材料的库存分销商,用于制造用于医疗器械行业的整形、脊柱和创伤部门的植入物和器械。

Gunter Busch是德国ALD真空技术公司东南亚业务部总经理,他阐述了钛粉末是原材料的未来这一观点。他首先肯定了增材制造/3D打印是未来的关键技术之一。直径在15~100微米范围内的金属粉末(钛、高级不锈钢、镍基和镍钴基合金及贵金属)在电子、工业、能源、飞机和航空航天应用领域的需求非常高。具体应用包括医疗植入物,航空发动机涡轮叶片和盘件,以及汽车阀门,叶轮和活塞。 
Busch提出了ALD粉末生产系统,通过图片展示了加料装置、熔化段、熔化盘、雾化喷嘴、喷雾锥、粉末塔、惰性气体排气和旋风、气动粉末输送管和粉末收集容器。该系统的特点是在氩气气氛下,在高频线圈感应过程中熔化。生产高纯钛合金粉末的最好方法是使用高频感应线圈进行熔化。用惰性气体雾化法制备的粉末呈球形(图3)。 
他总结称,新的3D打印技术将提高生产率,显著降低生产各种应用部件的成本。球形粉末将满足增材制造工艺的严格要求。电极感应熔炼气雾化(EIGA)装备技术可使熔炼过程中原料未与坩埚和导流管等接触,因此生成的粉末未受污染,相对生产的产品化学纯度很高。 

2019美国钛会 
来自VSMPO的Vince Rocco从生产商的角度探讨了钛在医疗技术中的应用。Rocco用一个饼状图展示了钛行业的整体市场细分:医疗植入物及设备占3%,航空航天占42%,工业应用占38%。医用钛产品的形式包括线材、板材、棒材、板坯、薄板和粉末。应用最广泛的医用钛合金有纯钛(CP)、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4V ELI、Ti-6Al-7Nb和Ti-15Mo。 
医用钛合金的特殊性,使在高竞争的背景下增加了成本,延长了交货期。如果产品除了符合ASTM规范外,还必须满足OEM规范,那么用于医疗应用的材料数量就会受到限制。即使零件是由合同制造商生产的,这也适用。可用的钛锭可能不符合OEM的规格。其他未获批准的供应商可能需要12~18个月或更长时间才能获得批准,以便能够在市场紧张的情况下提供材料。外部市场对钛的生产和原材料定价影响较大。严格的质量标准可以将一些风险降到最低,但也会限制可用材料的数量以及生产商/供应商的数量。 

Carpenter Additive全球总监/战略合作伙伴Rob Acton的报告题目为《医疗行业的增材制造:钛粉质量对性能的影响以及粉末对部件成本的贡献》。Acton称,医疗增材制造提供了更加复杂的设计和针对患者的解决方案。全球增材制造市场预计在预测期间将经历16.20%的复合年增长率(CAGR),从2015年的25亿美元增长到2021年的62亿美元。通过增材制造生产的医疗器械已经获得了100多项FDA许可。Acton提到了影响钛粉经济发展的因素,以及维持增材制造系统的质量和污染控制的重要性。 

2019欧洲钛会 
AVICENNE咨询公司创始人兼管理合伙人Ali Madani提出了他对全球钛医疗市场的看法。Madani于1992年创立了AVICENNE咨询公司。自1990年以来,他一直从事医疗领域的战略和市场研究。 

Madani讨论了增材制造对钛医用植入物的的影响。他表示,骨科市场包括髋关节、膝关节、脊柱、创伤、四肢和骨科生物,2018年销售收入为440亿美元,比2017年增长4%。2018年欧洲5.1%的髋关节、膝盖、肩关节和创伤类所使用的植入物是采用增材制造的,其余则是锻造、铸造或机械加工。估计到2021年7.6%髋关节、膝盖、肩关节和创伤类的所使用的植入物将使用增材制造,以Stryker公司为例展示了医疗用钛材量的需求状况。 

奥地利理工学院(AIT)健康与生物资源生物医学系统中心的科学家Maciej Krystian分享了等通道转角挤压钛加工(ECAP)的最新成果。Krystian表示,Ti-6Al-4V ELI是医用植入物中应用最广泛的钛合金。等通道转角挤压技术(ECAP)是大塑性变形技术(SPD)中发展最为猛烈的技术之一。实现了金属材料的强大微观结构细化,可达亚微米甚至纳米范围,且不改变工件的形状尺寸,可以连续多道次挤压来累计变形量达到细化晶粒的目的,能够制备出块状致密的超细结构材料。Ti-6Al-4V ELI经ECAP和特殊热机械处理后抗拉强度高于1300Mpa (188500 psi)。该值意味着与传统处理材料相比强度至少增加30%。 

因此,他解释称,由ECAP处理的Ti-6Al-4V ELI制成的承重植入物或植入部件可以设计得更小,从而最大限度地提高患者的移动性和生活质量。此外,ECAP材料的超细晶粒组织是低温/高应变率超塑性的起源。 新材料和工艺技术的开发和应用使材料性能有针对性地改善,设计和生产得以持续。在这方面,AIT团队与国内和国际领先的研究机构和公司密切合作。团队的研究和开发活动包括永久性和生物可降解金属基植入物。 

Hermith GmbH项目工程师Oleg Mityashkin详细介绍了其公司的“热拉丝”专利技术,用于生产增材制造钛丝。Mityashkin表示,该工艺与冷拔工艺相比,提高了线材的速度和变形速率,从而提高了生产率。在热拉丝工艺中,不需要在两个阶段之间进行退火。Hermith公司将为生产钛紧固件和医用植入物的制造商提供线材。Mityashkin称,在此技术基础上开发了一种新的金属丝生产线模块化设计。Hermith公司的主要客户挪威钛公司(Norsk Titanium)获得了这条新生产线,该公司是增材制造飞机部件的领先生产商。目前公司已经与挪威钛公司就第一批钛丝供应达成了协议。现在公司的线材生产工艺正在接受其他公司的认证。未来将建成从海绵钛到最终产品的垂直一体化过程中生产钛丝,并在生产的每个阶段控制质量。 

结语
通过综合三届世界钛会中有关生物医疗用钛的发展报告,阐述了钛在医疗领域的发展状况。一些报告从生产商、经销商的角度论述了如何通过合作让钛材能更好的应用于医疗中,以及从最新的生产工艺、生产技术及增材制造技术使得钛材料在医疗中能更加个性化、更好的服务患者。