鈦合金是20世紀(jì)中期發(fā)展起來(lái)的一種重要金屬，由于其具有密度低、比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高、 無(wú)磁、焊接性能好以及優(yōu)異的生物相容性[1]等優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工和化工等領(lǐng)域。自 從20世紀(jì)60年代Branemark將鈦合金用做口腔種植體后，鈦合金便結(jié)束了單一作為航天材料的歷史，開(kāi)始在 生物醫(yī)用材料領(lǐng)域得到廣泛的發(fā)展和應(yīng)用]。由于鈦及鈦合金具有較低的彈性模量、優(yōu)異的耐腐蝕性和良好 的生物相容性，成為生物醫(yī)用材料的首選。

1、鈦合金的分類及新型醫(yī)用鈦合金的成分設(shè)計(jì)

1.1鈦合金的分類及特點(diǎn)[3,4]

金屬鈦具有兩種同素異形態(tài)：低溫(<882.5℃)穩(wěn)定態(tài)為α型，密排六方晶系；高溫穩(wěn)定態(tài)為β型， 體心立方晶系。兩種同素異形態(tài)轉(zhuǎn)化溫度為882.5℃。鈦合金按亞穩(wěn)態(tài)相組成可分為α、近α(α+β)、近β 、亞穩(wěn)態(tài)β和β型鈦合金。從這個(gè)意義上，鈦的合金化元素分為3類：(1)相穩(wěn)定元素，例如Al、O、N、C、B ；(2)β相穩(wěn)定元素，例如Mo、V、Nb、Ta、Fe、W、Cr、Ni、Si、Co、Mn、H；(3)中性元素，例如Zr、Sn。 α和近α型鈦合金作為生物醫(yī)用材料應(yīng)用時(shí)顯示出優(yōu)越的耐腐蝕性能。相反，α+β型鈦合金由于存在α和 β兩相而顯示出較高的強(qiáng)度。材料的性能取決于組成、α和β兩相的相對(duì)比例、熱處理和熱機(jī)械處理?xiàng)l件。 β鈦合金具有高強(qiáng)度、好的成形性和高淬透性，β型鈦合金還有獨(dú)特的性能，具有低彈性模量和優(yōu)越的耐腐 蝕性能。

1.2新型醫(yī)用鈦合金元素的選擇及合金成分的設(shè)計(jì)

K.H.Borong[5]認(rèn)為，金屬材料的潛在毒性與添加的合金元素有關(guān)，毒性組元可能會(huì)通過(guò)材料對(duì)機(jī)體產(chǎn) 生過(guò)敏反應(yīng)。因此，醫(yī)用材料的合金元素應(yīng)以注重?zé)o毒元素的添加為前提，不應(yīng)含有毒性組元。新型生物醫(yī) 用β鈦合金的設(shè)計(jì)原則為]：(1)是否具有生物相容性；(2)是否為β相穩(wěn)定元素；(3)是否能提高新型β鈦合 金在生體環(huán)境中的其它使用性能(如高的抗拉強(qiáng)度、耐磨性和耐蝕性及較好的韌性)；(4)加入的合金元素是 否對(duì)生物體具有毒性，并且加入的合金元素必須進(jìn)一步降低β鈦合金的彈性模量。V、A1、Co、Ni、Cr等為 細(xì)胞毒性元素，長(zhǎng)期埋人人體內(nèi)，有可能溶解成自由的單體進(jìn)入體液，從而造成對(duì)生物體的毒害；Ti、Nb、 Zr、Ta、Pd、Sn等為無(wú)毒元素，生物相容性好；Mo、Fe、Au等具有某種程度的生物相容性。就低彈性模量而 言，純鈦中添加Zr、Nb、Mo、Hf、Ta等元素有利于降低β鈦合金的彈性模量和提高合金強(qiáng)度。

合金元素對(duì)合金組織和性能的影響很大，添加不同的合金元素，合金的組織和性能就會(huì)發(fā)生變化。作為 生物醫(yī)用植入材料的鈦合金，彈性模量的高低非常關(guān)鍵。按照前面生物醫(yī)用β鈦合金的設(shè)計(jì)原則，力求達(dá)到 最優(yōu)的力學(xué)性能、生物相容性、彈性模量、耐磨性和耐蝕性等的匹配?；谶@些考慮，目前所開(kāi)發(fā)的醫(yī)用鈦 合金主要由Mo、Nb、Ta、Zr、Sn等合金元素組成。

2、生物醫(yī)用鈦合金的發(fā)展過(guò)程

醫(yī)用鈦及鈦合金的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)時(shí)代：第一個(gè)時(shí)代是α型，以純鈦和Ti-6Al-4V為代表；第二個(gè)時(shí)代是 α+β型，以Ti-5A1-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb為代表；第三個(gè)時(shí)代是目前正在研制開(kāi)發(fā)的生物相容性更好、性模 量更低的l3型鈦合金時(shí)代。作為人體植人物的主要金屬基生物材料有不銹鋼、鈷基合金、鈦及鈦合金。由于 在人體環(huán)境內(nèi)不銹鋼和鈷基合金比較容易發(fā)生腐蝕，溶出Ni、Cr和Co元素，對(duì)人體有毒副作用l7]。另外， 不銹鋼和鈷基合金的彈性模量比人體骨高很多。不銹鋼的彈性模量約為210GPa，鈷基合金的彈性模量約 240GPa，遠(yuǎn)高于人體骨約為20～30GPa的彈性模量[8]。而鈦及鈦合金以其與人體骨相近的彈性模量、良好的 生物相容性及在生物環(huán)境下優(yōu)良的抗腐蝕性能，而在臨床上得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

從20世紀(jì)6O年代以來(lái)，Ti-6Al-4V和Ti-6A14-VELI合金開(kāi)始大量應(yīng)用于醫(yī)用領(lǐng)域。然而，隨著生物醫(yī)學(xué) 的發(fā)展，Kiviluto、Schiffl9等人通過(guò)對(duì)工業(yè)上與V接觸的工人觀察和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)認(rèn)為，V對(duì)機(jī)體有潛在的毒性 。S．G．Steinemanl1。。研究V在兔子體內(nèi)的植入行為也得出同樣結(jié)論。由于大量數(shù)據(jù)證實(shí)V對(duì)人體具有毒 性作用[11,12]，因而自20世紀(jì)80年代以來(lái)，德國(guó)和瑞士先后研制出無(wú)V的α+β型鈦合金Ti-5Al-2.5Fe[13] 和Ti-6Al～7Nb[14]合金。這兩種合金的力學(xué)性能與Ti-6A1-4V相近，彈性模量為骨彈性模量的4～10倍，然 而材料性能并沒(méi)有較大的改進(jìn)，而且這些合金仍含有Al元素。由于2O世紀(jì)90年代不斷有關(guān)于AI對(duì)人體存在 潛在危害的報(bào)告，因此美國(guó)和日本開(kāi)始研制開(kāi)發(fā)了不含A1、V的低彈性模量的新型生物醫(yī)用；β型鈦合金，例 如Ti-13Nb-13ZrE、Ti-12Mo-6Zr-2FeE和Ti-35Nb-7Zr-5TaL[16]等。

3、新型醫(yī)用β鈦合金的研究現(xiàn)狀

雖然到目前為止，純鈦和Ti-6Al-4V仍然是應(yīng)用最多的生物醫(yī)用材料[18]。但目前最有應(yīng)用前景的醫(yī)用 鈦合金是添加Nb、Zr、Mo和Ta等合金元素的合金。目前已開(kāi)發(fā)或正在研制之中的含有β穩(wěn)定元素(Nb、Zr、 Mo和Ta)，具有低彈性模量的生物體用β型鈦合金，包括[20]美國(guó)開(kāi)發(fā)的Ti-13Nb-13Zr、Ti-35Nb-7Zr-5Ta、 Ti-12Mo-6Zr-2Fe、Ti-15Nb、Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr合金和日本開(kāi)發(fā)的Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金，正在研 制之中的還有美國(guó)開(kāi)發(fā)的Ti-16Nb-10Hf和Ti-15Mo-3Nb合金[21,22]。

目前，生物醫(yī)用鈦合金在用作人體植入物時(shí)的主要缺點(diǎn)是其彈性模量過(guò)高，與人體骨的彈性模量相差很 大，植人人體環(huán)境中時(shí)就會(huì)導(dǎo)致植入物與人體骨之間出現(xiàn)“應(yīng)力屏蔽”[23,24]，導(dǎo)致骨吸收，最終引起植 入物失效[25~27]。而鈦合金具有較低的彈性模量，不同鈦合金彈性模量在110～55GPa范圍。圖1表明各種生 物醫(yī)用合金的彈性模量和人體骨彈性模量的比較。表1是各種生物醫(yī)用鈦合金的力學(xué)性能。可以看出，第二 代生物醫(yī)用鈦合金彈性模量明顯比第一代低，合金設(shè)計(jì)時(shí)Nb含量有增加的趨勢(shì)且都是β型鈦合金，Ti- 35Nb-7Zr-5Ta和Ti-29Nb-13Ta-7.IZr合金具有最低的彈性模量55MPa，與人體骨的彈性模量最接近。因此， 開(kāi)發(fā)較低彈性模量的生物醫(yī)用Jβ型鈦合金已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

總體來(lái)看，美國(guó)開(kāi)發(fā)的合金系列較多，而且大多數(shù)是鉬或鈮添加量較多的鈦合金。近來(lái)，美國(guó)和日本都 致力于開(kāi)發(fā)進(jìn)一步提高鈮含量且彈性模量更低的合金系列(如Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr及Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr 合金)[28]。由日本開(kāi)發(fā)的低彈性模量β鈦合金Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr，彈性模量為65GPa[29]。由表1和圖I可 以看出，Ti-35Nb-7Zr一5Ta合金和Ti-29Nb-13Ta-7.1Zr合金，其彈性模量為55GPa，與致密骨的彈性模量(最 大約28GPa)已經(jīng)非常接近，能與人體骨有較好的力學(xué)相容性。日本豐橋技術(shù)大學(xué)的Niinomi等[30]根據(jù)d電子 合金方法，提出了由Nb、Ta、Zr、Mo和Sn一類無(wú)毒元素組成的、具有較低彈性模量和較高強(qiáng)度的新型β型鈦 合金的設(shè)計(jì)。根據(jù)該研究設(shè)計(jì)出的β型鈦合金：Ti-Nb-Ta-Zr、Ti-Nb-Ta-Mo和Ti-Nb-Ta-Sn系合金，具有較 低的彈性模量，預(yù)計(jì)作為外科植入物材料具有好的應(yīng)用前景。

4、展望

近年研究開(kāi)發(fā)了多種性能優(yōu)越的新型醫(yī)用β型鈦合金，但目前臨床廣泛使用的材料仍以純鈦和Ti-6A1- 4V合金為主?？傮w來(lái)講，目前使用的鈦合金存在的主要問(wèn)題有：(1)植入材料與人體骨組織彈性模量差距大 ，力學(xué)不相容；(2)植入物表面生物活性不佳，不利于骨組織的長(zhǎng)人；(3)耐磨性能較差；(4)耐蝕性能有待 提高。金屬材料的耐蝕性能將直接影響到材料的生物相容性。由于人體環(huán)境中存在氯離子和蛋白質(zhì)，所有金 屬及合金在接觸體液時(shí)都會(huì)被腐蝕，在植入物表面會(huì)發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)。因此，通過(guò)表面改性提高材料的耐 腐蝕性能，延長(zhǎng)材料的使用壽命就顯得非常重要。

目前已開(kāi)發(fā)的β鈦合金中，Ti-35Nb-7Zr-5Ta和Ti-29Nb-13Ta-7.1Zr合金具有最低的彈性模量55GPa。另 外，Ti-29Nb-13Ta～4.6Zr和Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金和幾種其它組成的合金作為生物醫(yī)用材料也受到極大的關(guān) 注和研究。目前鈦合金的研究開(kāi)發(fā)方向是降低合金彈性模量、提高合金對(duì)人體的安全性、開(kāi)發(fā)綜合性能更優(yōu) 異的新型B鈦合金，以及對(duì)鈦合金進(jìn)行表面改性，提高耐磨性和耐腐蝕性能。具有低成本、低彈性模量和良 好綜合性能的新型鈦合金將成為很有發(fā)展前途的生物醫(yī)用材料。

參考文獻(xiàn)

[1]WangGS，XuGD．ProceedingsofXITC'S98[C]．Beijing：InternationalAcademicPublishers， 1999．1093．

[2]周宇，楊賢金，催振鐸．新型醫(yī)用鈦合金的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]．金屬熱處理，2005，30(1)： 47~50．

[3]MarcLong，H．J．Rack．Titaniumalloysintotaljointreplace—ment— amaterialsscienceperspective[J]．Biomaterials，1998，l9：1621～1639．

[4]莫畏．鈦[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2008，6～9．

[5]BorongKH，KranerKH_TitaniumScienceandTechnology，1984，1381～1383．

[6]汶建宏，楊冠軍，葛鵬，毛小南，趙映輝．口鈦合金的研究進(jìn)展[J]．鈦工業(yè)進(jìn)展，2008，25(1)： 33～40．

[7]OkazakiYoshimitsu，GotohEmiko．Comparisonofmetalrelease fromvariousmetallicbiomaterialsinvitro[J]．Biomaterials，2005，26：11～21．

[8]M．Geetha，A．K．Singh，R．Asokamani，A．K．Gogia．Ti basedbiomaterials， theultimatechoicefororthopaedicimplants—Areview[J]．ProgressinMaterialsScience，2009，54：397 ～425．

[9]SchiffLJ，GrahamJA．Cytotoxiceffectofvanadiumandoil— firedflyashonhamstertrachealepithelium[J]．Environmental Research，1984，34：390～402．

[10]Steineman．SG．Titaniumalloysasmetallicbiomaterials[J]．TitaniumScienceandTeehnology， 1984，2：1327～1334．

[11]ZwiekerR，BuehlerK，eta1．，Mechanicalpropertiesandtissue reactionsofatitaniumalloyforimplantmaterials，Titanium 1980，ScienceandTechn0l0gy[c]． Proc4thIntConfonTita—nium，Kyoto，Japan。TheMetSocAIME，1980，505～514．

[12]M．Semlitsch，F(xiàn)．Staub，H．Webber．Titanium—aluminium—ni—obiumalloy， developmentforbiocompatible，high—strengthsurgicalimplants[J]，Biomed．Tech．，1985，30：334 ～339．

[13]BorowyK—H，KramerK～H．Onthepropertiesofanewtitani—umalloy(TiA15Fe2.5) asimplantmateria1．In：Titanium84ScienceandTechn010gy[c]．vo1．2，Munich，DeutscheGesell— sehaftFiirMetallkundeEV，1995，1381～1386．

[14]SemlitschMF，WeberH，StreicherRM，Sch?nR．Jointre—placementcomponentsmadeofhot～ forgedandsurface—treated Ti一6Al一7Nballoy[J]．Biomater，1992，13(11)：781～788．

[15]MishraAK，DavidsonJA，KovacsP，PoggieRA．Ti-13Nb-13Zr：anewtowmodulus，highstrength， corrosionresistant near—betaalloyfororthopaedicimplants．In：BetaTitaniumin the1990s[C]． Warrendale：TheMinerals，Metals&Materi alsSociety，1993．61～72．

[16]WangK，GustavsonI，DumbletonJ．Thecharacterizationof Ti-12Mo-6Zr-2Fe． Anewbiocompatibletitaniumalloydevelopedforsurgicalimplants．In： BetaTitaniuminthel990's[C]．Warrendale：TheMinerals，Metals&MaterialsSociety，1993 ．49～60．

[17]AhmedT，LongM，SilvestriJ，RuizC，RackHJ．Anewlowmodulus，biocompatibletitaniumalloy [c]．Presentedatthe 8thWorldTitaniumConference．Birmingham，UK，October 1995．

[18]MitsuoNiinomi．Recentresearchanddevelopmentintitanium alloysforbiomedicalapplicationsandheahhcaregoods[J]．ScienceandTechnologyofAdvancedMaterials ，2003，4：445～454．

[19]TatianiA．G．Donato，LucianoH．deAlmeida，RenataA．Nogueira，TerlizeC．Niemeyer， CarlosR．Orandini．Cytotox-icitystudyofsomeTialloysusedasbiomaterial[J]．Materials ScienceandEngineeringC，2009，29：1365～1369．

[20]RackHJ，Qazi，J1．Titaniumalloysforbiomedicalapplications[J]． MaterialsScienceandEngineeringC，2006，26：1269～1277．

[21]NiinomiMitsuo．Mechanicalpropertiesofbiomedicaltitanium alloys[J]． MaterialsScienceandEngineeringA，1998，243：231～236．

[22]WangKathy．Theuseoftitaniumformedicalapplicationin USA[J]． MaterialsScienceandEngineeringA，1996，213：134～137．

[23]SakaguchiN，MituoN． EffectofalloyingelementonelasticmodulusofTiNbTaZrsystemalloyforbiomedicalapplication [J]． MaterialsScienceForum，2004，449(2)：1269～1272．

[24]ChealEJ，SpectorM，HayesWC．Roleofloadsandprosthesis materialpropertiesonthemechanicsoftheproximalfemuraf— tertotalhiparthroplasty[J]．OrthopRes，1992，274：375～376．

[25]TeohSH．Fatigueofbiomaterials：areview[J]．International JournalofFatigue，2000，22 (10)：825～837．

[26]SumnerDR，Galante，JO．DeterminantsofStressShielding： DesignVersusMaterialsVersusInterface[J]．ClinOrthopRlat Res，1992，274：202～212

[27]RackHJ，Qazi．JI．Titaniumalloysforbiomedicalapplications [J]． MaterialsScienceandEngineeringC，2006，26：1269～1277．

[28]OkazakiYoshimitsu，ItoYoshimasa．Corrosionresistanceand corrosionfatiguestrengthofnewtitaniumalloysformedical implantswithoutVandAI[J]． MaterialsScienceandEngi-neeringA，1996，213：138～147．

[29]KurodaD，NiinomiM，AkahoriT，F(xiàn)ukuiH，SuzukiA，Hase-gawaT，eta1． Structuralbiomaterialsforthe21stcentury[C]．In：NiinomiM，OkabeT，TaleffEM，LesuerDR， LippardHE．editors．TMS，TheMineralsMetalsandMaterialsSociety，2001．

[30]3NiinomiM，KurodaD，F(xiàn)ukunagaK，ProcofXianIntTitani—umConf[C]．Xi'an，1998，262．

相關(guān)鏈接