带你简单却全面的认识生物医用钛合金
生物医用钛合金材料的研究进展
XXXX学院生物材料学期末考查XXXX学年第一学期题目：生物医用钛合金材料的研究进展学院：XXX专业：XXX班级：XXX姓名：XXX学号：XXXXX年XX月XX日生物医用钛合金材料的研究进展XXXXXXXX学院【摘要】：介绍了钛合金属材料的发展历程，应用要求及功能特性，阐述了钛合金材料的医学应用研究与发展前景。
【关键词】：钛合金材料；特性；应用The application of biological titanium alloy materialsXXXXXXXX UniversityAbstract: Introduced the development history,application requirements functional characteristics ; functional properties and application research and development prospect of biological titanium alloy materials.Key Words: biological titanium alloy materials; characteristics; Application一、简介生物金属材料是植入人体（或动物体）以修复器官和恢复功能用的金属材料。
生物金属材料是一种发展较早的生物材料，它们在医学上的应用已有很长的时间。
但近20年来，与发展迅速的医用高分子材料、生物陶瓷材料和天然生物材料相比，医用金属材料的发展较为缓慢，但由于医用金属材料除具有其他材料不能比拟的高机械强度和优良的抗疲劳性外，一些材料还具有一定的韧性，所以目前在临床上仍有广泛的应用。
近年来钛及其合金在临床上的应用有明显主导地位，已逐步取代了Co-Cr合金及其不锈钢，钛及其合金以其与骨相近似的弹性模量、良好的生物相容性及在生物环境下优良的抗腐蚀性在临床上得到了越来越广泛的应该二、钛合金材料发展历程医用钛及钛合金的发展经历了 3 个时代: 第一个时代是α型, 以纯钛和Ti -6 Al- 4 V为代表; 第二个时代是α+ β型, 以Ti-5Al-5Fe 和T i-6Al-7Nb 为代表; 第三个时代是目前正在研制开发的生物相容性更好、弹性模量更低的β型钛合金时代。
钛合金在生物医学方面的应用资料
1.生物力学相容性：主要包括硬度、屈服强度、弹性模量和延伸性。如 果植入物由于强度不高或者植入物与人体骨之间的机械性能不匹配而 发生断裂失效，这就是生物不相容性。通常期望骨修复植入物的弹性 模量与人体骨的弹性模量接近，人体骨的弹性模量在4~30GPa之间。 2.生物相容性：作为植入物的材料应该对人体无毒性、在体内不会引起 任何炎症和过敏反应植入物在人体植入成功主要取决于材料与人体的 反应，这也能衡量材料的生物相容性。 3.耐腐蚀和耐磨性能：在体液环境中，植入材料的有效使用时间取决于 磨损性，耐磨性能差会引起植入物松动并且产生磨损碎屑，在沉积的 组织中引起反应。 4.骨结合性：植入材料表面由于微运动与人体骨和其它组织不能很好地 结合，就会导致植入物在体内松动。植入物表面化学表面粗糙度和表 面性毛豆对骨结合起着主要作用。
钛和钛基复合材料的主要应用
历史学院 凌长均
钛于1791年由格雷格尔于英国康沃尔郡发现，并用希腊神话的泰坦 为其命名。在地壳中，钛的储量仅次于铁、铝、镁居于第四位，它 储量非常的丰富 。钛的正真利用在20世纪五十年代，美国研制成功 的Ti-6Al-4V合金。 钛的性能： 由于钛具有熔点高、强度大、韧性好、抗疲劳、耐腐蚀、导热系数 低、高低温度耐受性好等优越性能，尤其是钛能和铁、镁、钼等其 他金属溶合成性能优越的合金或复合材料。 定义：钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。 种类：α合金,(α+β)合金和β合金。中国分别以TA、TC、TB表示。 钛合金的缺点 钛合金主要限制是在高温与其它材料的化学反应性差，这容易造成 模具的损坏，这就使钛合金的价格变得十分昂贵。这是钛合金无法 发扬光大的最大致命伤。
钛合金诸多领域应用的实例
钛在生物医学方面的应用
生物医用材料是用于对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其 病损组织、器官或增进其功能的金属或合金，主要用于骨和牙 等应组织的秀发和替换、心血管和软组织修复以及人工器官的 制造。钛的物理性能具有密度低、比强度高、耐热及耐腐蚀性 好、生物相容性优异等特点，此外钛及钛合金具有无毒、质轻、 耐生物体腐蚀、弹性模量低及生物相容性优异等特点，成为理 想的医用金属材料，被广泛应用于人体骨、人体关节、牙科、 整形外科、心脏外科、体内支撑架及医疗器械等医学领先 迄今为止，还没有看到比钛合金更好的 金属材料应用于临床的了。美国、西欧 等极其重视钛合金的研发工作，不断发 出新型医用材料，扩大了台机器合金在 医学领域的应用，满足了各类假肢、牙 病患者康复的愿望。
常用医用金属材料
常用医用金属材料生物医用金属材料又称医用金属材料或外科用金属材料，当生物医用金属材料广泛被用于植入材料时，长期的实用性与安全性便成为了对医用金属材料的第一要求。
下文为大家具体介绍了钛基、钴基、镁基、锆基、锌基、铝合金以及不锈钢、钨、贵金属等生物医用金属材料的研究与应用进展。
生物医用金属材料是在生物医用材料中使用的合金或金属，属于一类惰性材料，具有较高的抗疲劳性能和机械强度，在临床中作为承力植入材料而得到广泛应用。
在临床已经使用的医用金属材料主要有钴基合金、钛基合金、不锈钢、形状记忆合金、贵金属、纯金属铌、锆、钛、钽等。
不锈钢、钴基合金和钛基合金具有强度高、韧性好以及稳定性高的特点，是临床常用的3类医用金属材料。
随着制备工艺和技术的进步，新型生物金属材料也在不断涌现，例如粉末冶金合金、高熵合金、非晶合金、低模量钛合金等。
一、性能要求生物医用金属材料一般用于外科辅助器材、人工器官、硬组织、软组织等各个方面，应用极为广泛。
但是，无论是普通材料植入还是生物金属材料植入都会给患者带来巨大的影响，因而生物医用金属材料应用中的主要问题是由于生理环境的腐蚀而造成的金属离子向周围组织扩散及植入材料自身性质的退变，前者可能导致毒副作用，后者常常导致植入的失败。
因此，生物医用金属材料除了要求具有良好的力学性能及相关的物理性质外，优良的抗生理腐蚀性和生物相容性也是其必须具备的条件。
生物医用金属材料的性能要求：(1)机械性能。
生物医用金属材料一般应具有足够的强度和韧性，适当的弹性和硬度，良好的抗疲劳、抗蠕变性能以及必需的耐磨性和自润滑性。
(2)抗腐蚀性能。
生物医用金属材料发生的腐蚀主要有：植入材料表面暴露在人体生理环境下发生电解作用，属于一般性均匀腐蚀；植入材料混入杂质而引发的点腐蚀；各种成分以及物理化学性质不同引发的晶间腐蚀；电离能不同的材料混合使用引发的电偶腐蚀；植入体和人体组织的间隙之间发生的磨损腐蚀；有载荷时，植入材料在某个部位发生应力集中而引起的应力腐蚀；长时间的反复加载引发植入材料损伤断裂的疲劳腐蚀，等等。
钛合金在医疗方面的应用医学知识专家讲座
合金无法发扬光大最大致命伤。
钛合金在医疗方面的应用医学知识专家讲座
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钛合金很多领域应用实例
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钛在生物医学方面应用
• 医学领域钛合金主要用于制造植入人体
• 内医疗器件、假体或人工器官和辅助治 疗设备钛合金。 主要有钛6铝4钒、5铝 2.5锡等。它们含有比强度高、力学性质 靠近人骨，强度远优于纯钛，还含有耐 疲劳、耐腐蚀及生物相容性优良等特点。 广泛用于各种人工关节人工骨、骨固定 器件、义齿、齿科嵌、固定桥等
深入加强。
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• 总而言之，钛因为含有其它金属无法比拟 优良性能和生物亲合性，在医疗医学方面 应用越来越广泛，给人们带来了幸福和希 望，衷心期望钛在医疗医学领域应用继续 不停扩大和发展，为世界人民造福。
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钛合金在医疗方面的应用医学知识专家讲座
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• 骨低弹性模量约为16.5×103MPa，而钛为 钴和不锈钢之半，即102.7-113.3×103MPa。 钛弹性模量低，对于人体接收植入件非常 主要，同时降低了结合界面上附加应力， 延长了系统使用寿命。抗阻尼性低；耐热 性好，在500℃左右仍能保持良好机械性能； 耐腐蚀性能好。
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• 在日本已开发出一系列含有优良生物相容 性α+β钛合金，包含Ti-15Zr-4Nb_4ta0.2Pd、Ti-15Zr-4Nb-aTa-0.2Pd0.20~0.05N、Ti-15Sn-4Nb-2Ta-0.2Pd和 Ti-15Sn-4nb-2Ta-0.2Pd-0.20，这些合金 腐蚀强度、疲劳强度和抗腐蚀性能均优于 Ti-6Al-4v ELI。与α+β钛合金相比，β 钛合金含有更高强度水乎，以及更加好切 口性能和韧性，更适于作为植入物植入人 体。在美国，已经有5种β钛合金被推荐至 医学领域，即TMZFTM（TI-12Mo-^Zr-2Fe）、 Ti-13Nb-13Zr、Timetal 21SRx（TI-15Mo2.5Nb-0.2Si）、Tiadyne 1610（Ti-16Nb9.5Hf）和Ti-15Mo。
简述钛及钛合金的特点以及在生物医学领域的应用。
简述钛及钛合金的特点以及在生物医学领域的应用。
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生物医用钛合金材料的发展概况
生物医用材料钛合金的发展概况及前景生物医用材料的发展生物医用材料在我国起步仅仅20年左右的时间，无论是原始创新的基础研究，还是技术创新性研究，整体水平均落后于发达国家。
尽管如此，在国家自然科学基金、“863”项目、“973”项目以及国家科技支撑计划等项目的大力支持下，近些年来我国生物医用材料的研究已从分散、低水平的重复研究，逐步集中于学科发展的方向和前沿，并取得了举世瞩目的蓬勃发展。
骨科修复材料因市场需求巨大，其研究与产业快速发展，在组织工程、药物缓释、纳米材料、血液相容与净化材料、非病毒性基因治疗载体等领域与国际先进水平的差距已逐渐缩小，并取得子一批具有自主知识产权的技术项目。
进入21世纪以来，我国生物医用材料加速发展我国生物医用材料研究领域研究论文的发表数量正在大幅度上升、被引用的次数也不断增加，在国际刊物上所占的比重也在提高。
钛合金在生物医学方面的研发史可追溯到20世纪40年代初期，Bothe等人首先把纯钛引入到生物医学领域，他们发现钛与老鼠股骨之间无任何不良反应。
10年后Leventhal又进一步研究证实了纯钛的良好生物相容性。
但是，由于医用不锈钢、钴铬合金在二次世界大战期间已开始盛行，钛合金在生物医学领域的应用和发展比较缓慢。
自从60年代Branemark将纯钛用于口腔种植体后，纯钛作为外科植入件材料才得到了广泛发展，随后α型钛合金Ti3Al2·5V也在临床上被用作股骨和胫骨替换材料。
纯钛等α型钛合金虽然在生理环境中抗腐蚀性优良，但其强度较低、耐磨性较差，从而限制了它在骨科较大承载部位的使用。
相比之下，α+β型钛合金Ti6Al4V具有较高的强度和综合的加工性能，它虽是为航空、航天应用设计的，但70年代后期也被广泛用于制作外科修复或替换材料如接骨板、髋关节、髓内钉等。
纯钛、Ti3Al2·5V、Ti6Al4V钛合金属于第一代医用钛合金，这一时期材料和医学工作者是就地取材，没有专门开发针对生物医学工程用的钛合金。
钛及钛合金基本知识集锦PPT参考课件
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3.2 纯钛
化学性质： 室温下钛比较稳定，高温下很活泼，熔化态能与绝大多数坩埚 或造型材料发生作用。 高温下与卤素、氧、硫、碳、氮等进行强烈反应。 钛在真空或惰性气氛下熔炼，如真空自耗电弧炉、电子束炉、 等离子熔炉等设备中熔炼。 钛在氮气中加热即能发生燃烧，钛尘在空气中有爆炸危险，所 以钛材加热和焊接宜用氩气作保护气体。 钛在室温可吸收氢气，在500℃以上吸气能力尤为强烈，故可作 为高真空电子仪器的脱气剂；利用钛吸氢和放氢的特性，可以 作储氢材料。
钛的疲劳性能特点与钢类似，具有比较明显的物理疲劳极限， 纯钛的反复弯曲疲劳极限为0.6～0.80σb，钛的疲劳性能对金属表 面状态及应力集中系数比较敏感。
钛的耐热性比铁和镍低。这与钛原子自扩散系数大和存在 同素异晶转变有关。钛的耐磨性较差，通过渗氮、碳、硼可提 高其耐磨性。
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3.2 纯钛 工艺性能
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3.2 纯钛
⑴密度小，比强度高：钛密度为4.51g/cm3，约为钢或镍合金的一半。比强度 高于铝合金及高合金钢。 ⑵导热系数小：钛的导热系数小，是低碳钢的五分之一，铜的二十五分之一。 ⑶无磁性，无毒：钛是无磁性金属，在很大的磁场中不被磁化，无毒且与人体 组织及血液有很好的相容性。 ⑷抗阻尼性能强：钛受到机械振动及电振动后，与钢、铜相比，其自身振动衰 减时间最长。 ⑸耐热性佳：因熔点高，使得钛被列为耐高温金属。 ⑹耐低温：可在低温下保持良好的韧性及塑性，是低温容器的理想材料。 ⑺吸气性能高：钛的化学性质非常活泼，在高温下容易与碳、氢、氮及氧发生 反应。 ⑻耐蚀性佳：在空气中或含氧的介质中，钛表面生成一层致密的、附著力强、 惰性大的氧化膜，保护钛基体不被腐蚀。
钛的切削加工比较困难，主要原因是钛的摩擦系数大，导热性 差，热量主要集中在刀尖上，使刀尖很快软化。同时钛的化学活 性高，温度升高容易粘附刀具，造成粘结磨损。在切削加工时， 应正确选用刀具材料，保持刀具锋锐，并采用良好的冷却。
钛和钛合金在生物医学领域的应用
钛和钛合金在生物医学领域的应用
钛和钛合金在生物医学领域的应用越来越广泛。
由于其良好的生物相容性、高强度、耐腐蚀性和抗疲劳性等特点，钛和钛合金被广泛应用于人工关节、牙科植入物、骨修复、心脏起搏器等领域。
在人工关节领域，钛和钛合金被广泛应用于人工髋、膝关节等。
由于其良好的生物相容性和高强度，钛和钛合金制成的人工关节可以有效减轻患者的疼痛，并恢复其正常的活动能力。
在牙科植入物领域，钛和钛合金被应用于种植牙、牙桥等。
由于其优异的生物相容性和抗腐蚀性，钛和钛合金在口腔环境中能够长时间保持稳定无变化。
在骨修复领域，钛和钛合金被用于制作骨板、骨融合器等。
钛和钛合金具有高强度和生物相容性，可以有效支撑骨骼，促进骨骼愈合。
在心脏起搏器领域，钛和钛合金被用于制作心脏起搏器的金属外壳和电极。
钛和钛合金具有抗腐蚀性和生物相容性，可以长时间稳定地应用于人体内。
总之，钛和钛合金在生物医学领域的应用前景十分广阔，随着技术的不断发展和研究的深入，它们将在更多的领域得到应用。
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生物医用钛合金
生物医用材料是指和生物系统相作用，用以诊断、治疗修复或替代机体中的组织、器官或增进其功能的材料。
可分为医用金属材料、医用高分子材料、医用陶瓷材料等，其中医用金属材料占有很大的比重，特别是骨科产品、心脑血管产品。
由于钛与人体骨骼接近，对人体组织具有良好的生物相容性、无毒副作用，具有其他材料无法比拟的优势,所以医用钛在医疗领域得到了广泛的应用。
生物医用钛合金的优势
∙生物相容性：与人体发生最小的生物学反应，无毒无磁，作为人体植入物，对人体无毒副作用。
∙力学性能：高强度、低弹性模量，既满足力学要求，又与人体自然骨弹性模量相近，可减少应力屏蔽效应，更有利于人骨的生长愈合。
∙耐腐蚀性能：钛合金为生物惰性材料，在人体生理环境下有有意的抗腐蚀性能，对人体生理环境不产生污染。
∙质轻：一般钛合金的密度仅为不锈钢的56%，植入人体后大幅度减轻人体的负荷量。
生物医用钛合金发展历程
金属材料是人类生物医学发展史上最早用于创伤修复和矫形治疗的传统材料。
从20世纪30年代起，CoCr合金、不锈钢曾先后被用于医学领域并成为目前传统
的医用金属材料；20世纪40 年代,性能更优异的生物医用钛得到研究并证明了其临床可行性。
生物医用钛合金经历了纯钛与Ti-6Al-4V钛合金、改良钛合金、低模量β钛合金三个历程：
∙1950-1980年：纯钛首次用于生物医药领域，证实了良好的生物相容性。
Ti6Al4V 广泛用于外科修复或替换材料。
∙1980-1990年:证实V、Al是对生物体有毒副作用的元素；开发出以Nb、Fe替代V的第二代改良新型医用钛合金。
∙1990年-至今：90年代初期开发第一个具有更好生物相容性和更低弹性模量的β钛合金Ti13Nb13Zr,从此开启了具有优异性能的生物医用β钛合金的开发和使用。
国内研究现状及问题
我国从20世纪70年代开始医用钛合金材料的研究和应用，经过前期对
Ti-6Al-4V 、Ti-6Al-7Nb、Ti-5Al-2.5Fe医用钛合金的仿制研究，早在1999年西北有色金属研究院在国内首次研制出第一个具有我国自主知识产权近α型新型医用钛合金TAMZ（Ti-2.5Al-2.5Mo-2.5Zr），综合性能与Ti-6Al-7Nb相当。
在2005年，西北有色院又研制出两种新型高强低模量近β型医用钛合金
TiZrMoNb（TLE）和Ti Zr Sn Mo Nb （TLM）。
中科院金属所也开发出新型低模量近β型钛合金Ti -24Nb-4Zr-7.6Sn（Ti 2448）。
另外，北京有色院、哈工大、东北大学、天津大学等单位也在开展新型β型钛合金的应用及相关基础研究。
基于我国国情，拥有约13亿人口和6000万残疾人的大国，而且我国正步入老龄化社会，为此要提供大量优质的生物医用材料及器件以供临床诊治的需要。
而我国在医用种植体方面的研究起步较晚，目前人工关节近一半需要进口，而牙科种植体以及一些高端植入物更是90%以上使用进口产品，价格十分昂贵，普通工薪阶层的百姓难以承受。
因此，开发无毒性、低弹性模量且价格低廉的新型植入用钛合金是一个值得研究的课题。
生物医用钛合金分类及性能
生物医用钛合金按材料显微组织类型可分为α型、α+β型和β型钛合金三类。
目前临床广泛使用的材料仍以纯钛和Ti-6Al-4V合金为主，但β型钛合金由于更低的弹性模量和更好的生物相容性已成为该领域的研究热点，是最有应用前景的生物医用钛合金。
表１是各种生物医用钛合金的力学性能。
图1表明各种生物医用合金的弹性模量和人体骨弹性模量的比较。
可以看出, 第二代生物医用钛合金弹性模量明显比第一代低,合金设计时Nb含量有增加的趋势且都是β型钛合金, Ti-35Nb-7Zr-5Ta 和Ti-29Nb-13Ta-7.1Zr合金具有最低的弹性模量55MPa, 与人体骨的弹性模量最接近。
因此开发较低弹性模量的生物医用β型钛合金已成为该领域的研究热点。
目前国内外研究最为广泛的生物医用超弹性β钛合金是Ti-Nb系超弹性β钛合表1 生物医用钛合金的力学性能
图1 生物医用合金的弹性模量常用生物医用β钛合金
近年来新型β型钛合金的研发主要Ti-Nb系、Ti-Mo系、Ti-Zr系和Ti-Ta系合金。
（对人体有害的V、Al、Ni 、Cr等元素逐步被生物相容性好的Nb、Zr、Ta、Sn、Pt、Mo等无毒元素取代）已研制成功的部分医用低模量的β型钛合金如下图所示。
与其他体系β钛合金相比，Ti-Nb系合金的弹性模量较低，更接近人骨的弹性模量，并且不含有毒元素Al和V，适合作为医用金属材料，目前对其研究开展较多。
应用举例
生物医用钛合金优异生物医用特性，使其广泛的应用如下
生物医用钛合金未来发展方向
近年来，钛合金在生物医用领域的应用呈快速发展的趋势。
这也将对钛合金的性能提出更高的要求，结合国内外当前的研究现状，得出生物医用钛合金未来发展方向如下：
相关企业及研究机构
虽然我国生物医用钛合金材料的研究工作已取得了显著的进展,但与欧美等发达国家相比，在钛合金植入物产品的设计、制造、加工、装备、表面处理、工艺水平等方面仍存在很大差距。
以下是部分国内外生物医用钛合金相关生产企业及研究机构：
国外企业及研究机构国内企业及研究机构
STRYKER（美国）宝钛集团
Zimmer（美国）英耐特医用钛有限公司
德国克鲁伯百幕航材
Terumo（日本）西北有色金属研究院
Sulzer（瑞士）北京有色金属研究总院
……沈阳金属研究所
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