新型生物医用β钛合金研究状况及发展趋势分析

新型生物医用β钛合金研究状况及发展趋势分析 生物医用钛及钛合金材料因其抗拉强度高、比强度高、抗拉强度与屈服强度接近等良好的力学性能，优异的耐腐蚀性能，无磁性，导热系数小，弹性模量低等特点，成为医用体内植入物产品的首选材料。根据钛合金从β相区淬火后相的组成与β稳定元素含量的关系，工业钛合金可分为六大类；从钛合金的研究发展过程将其分为三个发展阶段，归纳了目前报道的已研究的或正在开发的典型钛合金及骨的组织类型和性能，总结了目前研制的β钛合金存在的问题，与理想生物合金比较还有一定差距。对钛合金的发展趋势进行了展望，根据市场需求及社会发展，生物医用钛合金的前景光明，加强理论研究基础，开展新型β钛合金研发和临床实践十分必要。

标签：生物医用；钛合金；趋势 1 概述 生物医用材料（Biomedical materials）是指以医疗为目的，与活体结合的人工非生命材料，即“用于取代、修复活组织的天然或人造材料”[1]。其定义随着医用材料的快速发展而不断演变，目前提到的生物医用材料主要指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新型高技术材料。生物医用材料以研究人工器官和医疗器械材料为基础，是材料学科的重要分支，己成为各国科学家竞相研究和开发的热点。生物医用材料用途广，种类多，按照它的物质属性可分为生物医用金属和合金、生物医用高分子材料、生物医用陶瓷材料、生物医用复合材料。根据材料的用途和化学反应活性，这些材料又可以分为生物惰性（bioinert）材料、生物活性（bioactive）材料或生物降解（biodegradable）材料。还可根据医学临床植入部分不同分为人工关节、人工骨修复和替换材料；矫形外科软组织修补材料；心血管系统材料；皮肤掩膜、血液透析膜及其他医用膜材料等。

金属生物医用材料的应用历史悠久，近几年来继不锈钢、钻铬合金在临床医疗和科研中不断使用，工业纯钛及钛合金等系列金属医用生物材料也成为生物医用材料研究人员关注的焦点。这些材料都具有较好的力学性能，如较高的强度和弹性模量等。钛及钛合金材料是进入医用金属材料领域较晚的一类生物医用金属材料，与其他常用外科植入材料如不锈钢、CoCr合金相比，具有优良的生物相容性、耐蚀性、力学性能和加工性能，是目前最具优势的生物医学金属材料。钛合金材料合金强度高（～1050MPa），并可在较大范围内调整以满足不同类型产品的需要；不含毒性组元，生物相容性优良；弹性模量比传统合金低30%；疲劳强度和断裂韧性均优于其他合金；工艺成型性好，延伸率比一般合金高出20%，热加工温度低（～150℃）。钛合金凭借其优良的生物相容性、耐腐蚀性、综合力学性能和加工工艺性能逐渐成为人工骨科材料、牙科修复材料、软组织修复材料、整形外科材料、人工心脏瓣膜、介入性心血管支架等医用体内植入物产品的首选材料[2-4]。发达国家很多世界知名的生物医用产品生产企业都非常重视钛合金材料的研发工作，在新型医用钛合金材料方面不断推陈出新，在医用钛合金材料的 表面处理方面也做了很多专利性的设计与开发，赋予医用钛合金材料更好的生物活性以满足人体的生理需要，近年来钛及其合金在生物医用材料方面越来越广泛的应用不仅挽救了数以万计危重病人的生命，显著降低了心血管、创伤、骨损伤等重大疾病的死亡率，提高了人类的健康水平。

2 生物医用钛合金发展现状 生物医用钛合金的根据其发展历程和研究顺序可分为三个阶段[5-6]，第一阶段是以纯钛和Ti-6Al-4V合金为代表的传统钛合金阶段，第二阶段是以Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb为代表的新型α+β 型合金阶段，目前则进入了第三阶段即β-钛合金阶段，以开发与研制具有更好的生物相容性和更低弹性模量的钛合金为主。

2.1 以纯钛和Ti-6Al-4V合金为代表阶段 纯钛应用于生物体作为体内植入材料始于20世纪中叶的美国和英国，主要用于口腔修复及承载较小的骨替换，如制造螺钉、髓内钉、接骨板和髋关节等[7]。20世纪70年代我国开始使用纯钛制作一些骨损伤体内替代物并在临床试用，取得了较好的疗效[8]。Ti-6Al-4V合金最初是为航天应用而设计的，在20世纪70年代后期因其良好的加工性能和生物相容性被用于外科修复材料：如整形外科植物器械等；Ti-3Al-2.5V材料的出现也在临床上被试用，这种材料较Ti-6Al-4V生物相容性更好，但这类合金的力学性能尤其是耐腐蚀性依然不强[9]。同时，研究人员发现当V离子进入人体后，将引起慢性炎症，V中毒还可能致癌；这类合金弹性模量较生物体骨组织偏高，植入人体一段时间后容易引起骨组织二次损伤，植入物松动等，产生“应力屏蔽”现象。为了避免V毒性引起的不良反应、提高材料耐蚀性能、降低材料弹性模量，钛合金研究人员开始寻找V替换元素研发新的钛合金。

2.2 新型α+β型钛合金阶段 在20世纪80年代开始进入以Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb合金为代表的α+β型合金时代[10-12]。瑞士 SULZER 医学技术公司利用 Nb、Mo、Zr元素等代替 V，消除了V元素对人体的毒性副作用，开发出 Ti-6Al-7Nb、Ti-5Al-2.5Fe、Ti-5Al-3Mo-4Zr 合金。根据金属细胞毒性实验和生体防御反应实验显示， Ti-6Al-7Nb合金（瑞士）13]强度和耐蚀性都比较好，作为牙科用造型材料比纯钛好。Ti-5Al-2.5Fe合金是由德国科学家研发的无钒α+β型钛合金[14]，属于中高强度材料，力学性能与Ti-6Al-4V合金相当，有效的去除了V离子可能产生的毒性。虽然Ti-6Al-7Nb和Ti-5Al-2.5Fe合金生物相容性和耐腐蚀性能都有所提高，但仍有不足之处：与人体骨骼的最大弹性模量仍存在很大差距；含有细胞毒性元素Al，Al在人体内积蓄后Al离子与无机磷结合使体内缺磷，将诱发器官的损伤，还可能引起骨软化、贫血和老年痴呆症等；材料的生物活性低，骨的传导性低于生物活性陶瓷等。Ti-2.5Al-2.5Mo-2.5Zr（TAMZ）[15]合金是由西北有色金属研究院和第四军医大学共同研制的新型外科植入用钛合金，与Ti-6Al-4V相比，TAMZ材料具有优良的技术成型性，易制成各种形状的部件；无V元素；低成 本，TAMZ的强度比Ti-6Al-4V和Ti-5Al-2.5Fe合金的低约 100MPa；抗腐蚀性约为Ti-6Al-4V合金的1.5倍；疲劳性能约为Ti-6Al-4V合金的1.2倍[16]。经实验研究表明，TAMZ合金具备与纯钛相似的良好细胞相容性，不会引起细胞毒性反应，是理想的生物医用钛合金，在临床上作为制作人工骨、人工关节、种植体、口腔修复材料、外科内固定材料等组织修复替代材料，而且不引起急性溶血反应，具有广泛的应用前景[17]。

2.3 新型β型生物用钛合金阶段 为了进一步提高钛合金植入物的生物体力学适应性，改善植入物与自然骨骼之间的应力屏蔽问题，降低合金元素的细胞毒性、弹性模量，适应临床对植入材料提出的更高要求，研究人员进行了大量新型β钛合金的研究工作。

最近报道的目前已开发或正在研究的β生物钛合金如表1所示，主要有Ti-Zr 系，Ti-Mo系，Ti-Ta系，Ti-Ta-Zr系，Ti-Nb-Hf系，Ti-Nb-Zr系，Ti-Nb-Sn 系，Ti-Nb-Ta-Zr系，Ti-Fe-Ta系，Ti-Mo-Zr-Sn系，Ti-Sn-Nb-Ta系，Ti-Mo-Zr-Fe系，Ti-Mo-Nb-Si系，Ti-Mo-Ga 系，Ti-Mo-Ge 系，Ti-Mo-Al系等合金[18]。

与α+β型钛合金相比，β型钛合金在设计时添加了适量的β相稳定元素，如Nb、Pd、Ta、Zr、Mo、Sn、Fe等，这些合金元素同样具有良好的生物相容性，其中Zr和Sn为中性元素，一般用来强化合金；Nb、Ta、Mo是β相稳定元素，可以在β钛合金中无限固溶，改善合金热加工性能；Nb还能够提高合金耐腐蚀性，Mo可以细化合金晶粒。因为β相稳定元素的作用，β型钛合金较α+β型钛合金的弹性模量更低，因此作为植入用生物医用材料，成为α+β型钛合金的理想替代品。美国和日本的钛合金研究人员发现Nb含量与钛合金的弹性模量有一定关系，相继开发出提高铌含量且弹性模量更低的Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr及Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr等β钛合金[19-20]。Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr合金拥有良好的力学融合性，且其弹性模量接近于人体致密骨的弹性模量约为55.0Gpa[21]。Ti-22Nb-13Ta-4.6Zr合金经固溶时效后抗拉强度最高达到了700MPa；其最低弹性模量可控制在60GPa左右。Ti-50Nb-20Ge合金的抗拉强度接近800MPa，固溶后由于马氏体转变，合金的延伸率可达到20%以上，合金的弹性模量只有55GPa，非常接近人体骨骼。

这一阶段研究者还研发了Ti-27Nb、Ti-24Nb-1Mo、Ti-2Nb-2Mo 和 Ti-18Nb-3Mo 合金，这些合金在力学性能检验中表现出良好的超弹性[22]；还有学者研究了O元素对Ti-22.5Nb-0.2Ta-2Zr（at.%）合金的性能的影响，研究发现Ti-22.5Nb-0.2Ta-2Zr（at.%）合金的抗拉强度会随氧含量的增加而增加，延伸率会降低，O含量为1.5%时，合金的弹性模量最低。

3 生物医用钛合金存在的问题 生物医用钛及钛合金材料因其抗拉强度高、比强度高、抗拉强度与屈服强度接近等良好的力学性能，优异的耐腐蚀性能，无磁性，导热系数小，弹性模量低等特点，在生物体外科移植中获得了广泛的应用。但钛及钛合金材料的研究依然