
医学钛合金发展探究.docx
10页医学钛合金发展探究1生物医学钛合金在常用外科植入材料中,钛及钛合金因 具有优良的生物相容性、耐蚀性、力学性能 和加工性能,且价格比贵金属医用制品低廉 从而成为最吸引人的生物医学金属材料 [1,2],主要用作人工膝关节、股关节、齿科 植入体、牙根及义齿金属支架等 [3]与不锈钢及钻铭钳合金等相比,钛材表面能形成 稳定的钝化膜,因而在体液中不溶解、不产 生有害物,与人体组织有良好的亲和性植 入骨组织后能与活性骨组织融合,使用安全 Ti-6Al-4V合金作为主要生物医学合金已有 很长历史由于在Ti-6Al-4V合金中存在元 素的细胞毒性问题[1],因此近年来人们又 提出并开发了一些具有更好生物相容性的 各种新型无毒生物医学钛合金 本文在回顾生物医学钛合金发展历史的基础上,综述了 近年来新开发的生物医学钛合金的组成及 性能,提出了我国生物医学钛合金的发展方向2生物医学钛合金的发展历程[4]钛的最初商业开发始于 40年代末期,此 后不久开始作为外科植入材料进行开发研 究由Bathe及Leventhal等进行的早期动 物实验表明,钛有显著的组织相容性五、 六十年代,在英国钛合金体内固定装置已被 广泛采用,但在美国当时却很少使用该类钛 合金装置。
钛及其合金在 70年代初作为植 入材料开始获得广泛应用虽然商业纯钛比 不锈钢具有较好的耐蚀性及组织相容性,但 其较低的强度和耐磨性限制了它的某些应 用但钛的强度能通过冷处理来提高冷加 工钛合金已被用于牙科植入等领域 70年代后期,由于强度高、弹性模量低及耐蚀性和 组织相容性优良,航天用Ti-6Al-4VELI合金 开始作为医学植入体材料被应用,尤其作为 关节修补体在美国被越来越多的人所接受其应用还包括臀及膝修补体、 外伤固定装置、仪器及牙科植入体等与此同时 ,合金也被用作植入体材料,该合金有好的冷成 型性、耐腐蚀及机械性能 80年代初,人们发现在磨损条件下在组织周围有大量 Ti、V、Al黑色碎屑存在说明该合金的耐磨性相对 较差,因此没经表面涂层或表面处理的 Ti-6Al-4V合金被认为不适合承受表面磨损 场合同时,在这一阶段与 V、Al元素的生 物安全性相关的文献大大增多有报告将V、 Al元素与潜在的细胞毒性、潜在的磷灰石生 成障碍及可能的神经疾病相联系为了避免 V元素的细胞毒性作用,80年代中期在欧洲 开发出两种a +3类钛合金和Ti-6Al-7Nb 由于不存在V元素,这两种合金具有优于 Ti-6Al-4V合金的潜在的生物相容性。
但是 在机械性能方面,它们与Ti-6Al-4V非常类 似,而且它们中仍然含有铝80年代中期,美国开始探索用于矫形的 不含V、Al且生物相容性更好的钛合金新 型钛合金的另一个设计目标是低的弹性模 量有限元分析表明较低弹性模量的臀修复 体可以更好地模拟天然生物体将应力传到 附近的骨组织动物研究表明具有低弹性模 量臀修复体的病人的骨重塑大大减少 这些研究启发人们去开发低弹性模量植入体材料因此,用于矫形的钛合金应该具有低的 弹性模量、优秀的机械强度、耐腐蚀性和成 型性,而且无潜在的毒性元素存在符合上 述要求的这类合金主要是由非毒性元素 MoZr、Nb、Ta或Fe元素等组成的 3类合金 3类钛合金通常比a +3类钛合金有高的强 度和韧性,而它们的模量却比Ti-6Al-4V等 a +3类合金低得多,因而相比之下3类钛 合金有更优异的生物相容性3新型生物医学钛合金的研究现状近年来,美国、日本、瑞士、德国等发 达国家均投入大量人力、物力致力开发新型 生物医学钛合金[1,4,5]新开发的生物医 学钛合金主要分 6及a + 3两类,如a +3 类钛合金 Ti-6Al-7Nb、、Ti-6Al-6Nb-1Ta、 Ti-5Al-3Mo-4Zr 、、和 Ti-6Al-2Nb-1Ta 等,& 类钛合金 Ti-13Nb-13Zr、Ti-16Nb-10Hf、、 Ti-12Mo-6Zr-2Fe、Ti-15Mo、Ti-15Mo-3Nb、 Ti-13Nb-13Zr、、、Ti-15Mo-5Zr-3Al 、、和等。
现就美国和日本新开发的部分生物医学钛 合金分别加以介绍美国开发的新型生物医学钛合金美国开发的新型钛合金多为含 Mo和Nb较高的合金,而且有向含Nb量更高的趋势发 展[6]近年来,美国主要开发出五种 6类 生物医学钛合金,以减少或消除Al、V元素 的影响,包括 TMZFTM Ti-13Nb-13Zr、 TIMETAL21SRX Tiadyne1610 和 Ti-15Mo 合 金部分合金化学成分及拉伸性能分别见表 1和表2[4]TMZFF峪金是一种亚稳态 3 合金,从754C或更高的6转变温度快冷后, 合金保持全3组织该全6组织在随后的 时效过程中将沉淀析出细的 a相有单一3相组织的固溶退火 TMZFT峪金因其低的 弹性模量、优异的强度和韧性,适合作矫形 植入体通过时效处理,固溶退火TMZFT峪 金的强度能进一步增大与Ti-6Al-4V 合金相比,TMZFTM合金有 较高的强度、较低的弹性模量、较高的断裂 韧性及较好的耐磨性它也有优秀的耐腐蚀 性和类似于Ti-6Al-4V合金的平滑的疲劳强 度鉴于其高强度、低模量及优异的耐腐蚀 性,该合金最适合用于矫形器件Ti-13Nb-13Zr合金是一种近 6合金,在水淬 条件下由密排六方马氏体组成,时效 后,Ti-13Nb-13Zr合金由密排六方马氏体和 亚微观3沉淀相组成。
弥散 3沉淀相使材 料得以强化和硬化 对6钛合金来说,时效 处理导致马氏体向 成+B混合物转化在时 效Ti-13Nb-13Zr合金中,马氏体的存在表明 该合金更象 a +6合金,而不是近B合金 与退火Ti-6Al-4V合金相比,该合金在时效 条件下有较高的强度、较低的弹性模量及较 高的断裂韧性TIMETAL21SR治金是80年代作为美国 国家航天飞机上的金属基复合材料的基体 材料开发的[7]为了改善生物相容性,Al已 被从合金中去除为保持a的稳定,合金中 氧含量稍高与Ti-6Al-4V合金相比,该合 金有较高的拉伸强度及较低的弹性模量 Tiadyne1610合金被开发用于医学,尤其是 矫形植入体与 Ti-6Al-4V 合金相比,该合 金有较低的拉伸强度及弹性模量 Ti-15Mo合金被开发用于矫形植入体该类 3钛合金在800C固溶退火后能保持细的 3晶粒组织该合金有优异的耐腐蚀性 与Ti-6Al-4V 合金及纯钛相比,其拉伸性能相当低由表2 可见,与Ti-6Al-4V 合金相比,五种新开发的 钛合金均有较低的弹性模量,前三种钛合金 拉伸强度较高,后两种钛合金拉伸强度较低 而TMZFT峪金综合性能较好。
日本开发的新型生物医学钛合金在钛合金中,V的细胞毒性及Al易引起 老年痴呆症引起人们的恐慌,因此在合金设 计时应竭力避免这两种元素的使用研究表 明金属Nts Zr、Pd和Ta是低的细胞毒性元 素,一些研究者认为Sn及其化合物有细胞毒 性,但现已弄清,Sn的毒性几乎完全是 Sn的 有机化合物的毒性[5]因此,可以选用Zr、 Nb Ta、Pd和Sn作为改善钛合金机械性能、 耐蚀性能及生物相容性合金元素 [4]日本最近开发了无V元素的新型钛合金 Ti-15Mo-5Zr-3Al 、Ti-5Al-3Mo-4Zr 及无 V、 Al元素的新型钛合金、和[4,8],部分新开发 合金化学成分及性能见表 3和表4[1,5]由表4可见,与Ti-6Al-4V 相比,新开发的生物 医学钛合金的弹性模量均较低,其中 Ti-15Mo-5Zr-3Al及强度较高合金是由日 本丰桥科技大学与大同特殊钢公司共同开 发的,其耐磨性和力学性能都接近于 Ti-6Al-4V合金,但其弹性模量接近于人体 骨骼,因而其生物相容性比 Ti-6Al-4V合金 优越得多[9]4生物医学钛合金的研究趋势近年来钛及其合金在生物医学中的研 究及应用呈上升趋势,尤其在牙科和整形外 科中钛材的用量明显增多。
根据美国金属市 场报告,最近统计美国医学应用钛的量接近 钛海绵消耗量的2%或接近318吨假定1 公斤钛海绵能生产〜公斤钛材,则每年医用 钛和钛合金的用量估计约为 130〜190吨[4]1997年日本医疗用钛材为 18吨[10]而且 钛在医学上的应用量仍在逐年增长 医用钛制品是高附加值的高科技产品,一个不足10 克的精铸钛牙冠的国内售价约为 500〜800元[2],其经济效益相当可观目前,Ti-6Al-4VELI 合金仍然是国内外广泛使用的生物医学合金,但(3类钛合金的 性能更诱人,有望取代Ti-6Al-4AELI 合金 生物医学钛合金进一步研究的方向为:深入 研究合金元素对钛合金的组织与性能的影 响,为新材料的开发奠定坚实的理论基础鉴于国外仍处于新材料的探索阶段,应根据 我国国情,开发出质优价廉的新型钛合金生 物医学材料;对国外已定型牌号的钛合金, 进行消化、吸收、降低成本,尽快实行国产 化,结束我国生物医学材料依赖进口的现状 对开发出的各种生物医学材料进行大量的 临床应用实验,取得大量有价值的第一手资 料,并及时反馈给材料研究部门,以便迅速 对材料进行改进;大力开展材料表面改性研 究,如进行羟基磷灰石表面涂层、梯度功能 化、表面离子氮化及氧扩渗处理等,进一步 提高生物医学材料与生物体的相容性、 耐磨性[8,9,11,12]; 进行材料的复合化和混杂化研究[10]。
为达到上述目的,确保生物医 学材料的可靠性,材料开发研究单位、人体 植入物制造单位及医疗单位应加强合作,建 立三位一体的质量管理系统,加快我国生物 医学材料的国产化进程,使生物医学钛合金 制品在我国得到迅速推广和应用、 造福于人民医学钛合金发展探究。












