生物醫(yī)用植入鈦及鈦合金的力學(xué)性能研究及進(jìn)展

　　90年代中后期,美國(guó)科學(xué)家成功研制出T-i13Nb-13Zr合金,一種B型醫(yī)用鈦合金且最早被正式列入ISO標(biāo)準(zhǔn)。與T-i6A-l4V合金相比,其彈性模量低近40% [12] ,與純Ti和Ti6Al4V合金相比具有更高的 與造骨細(xì)胞的附著力和更低的與細(xì)菌的附著力[17,18] 。 后美國(guó)又相繼開發(fā)出近B型Ti35Zr10Nb、Ti16Nb10H,f亞穩(wěn)B型的Ti12Mo6Zr2Fe(TMZF)、Ti15Mo、Ti3513Nb511Ta416Zr、Ti40Ta、Ti50Ta[19] 、Ti35Nb511Ta711Zr014O、Ti15Mo3Nb013O及彈性模量超低的只有55GPa的Ti35Zr5Ta7Zr(TNZT)[20,21] 合金。近年日本的醫(yī)用鈦合金開發(fā)技術(shù)發(fā)展很快, 相繼開發(fā)出A+B型Ti5Al3Mo4Zr、Ti6Al2Nb1Ta、Ti115Sn4Nb2Ta012Pd和亞穩(wěn)B型Ti15Mo218Nb3Al、Ti29Nb13Ta416Zr[22] 合金。 目前,對(duì)B型鈦合金設(shè)計(jì)的理論主要有:B相穩(wěn)定系數(shù)KB [23] 、d電子設(shè)計(jì)理論[24] 、Mo當(dāng)量公式 [23,24] 、價(jià) 電子理論 [25] 和電子濃度 [26] 。 2?鈦及其合金元素對(duì)植入件性能的影 響 ??對(duì)于植入材料的性能要求可以歸納為3個(gè)方面: ①材料與人體的生物相容性要求;②材料在人體環(huán)境中的耐蝕性能要求;③材料的力學(xué)性能要求。211?鈦及其合金元素對(duì)生物相容性的影響 生物相容性是生物材料研究中最為重要的性能。按ISO標(biāo)準(zhǔn),生物相容性是指生命體組織對(duì)非活性材料產(chǎn)生反應(yīng)的一種性能。一般是指材料與宿主之間的相容性,包括組織相容性和血液相容性。并普遍認(rèn)為生物相容性包括兩大原則,一是生物安全性原則,二是生物功能性原則(或稱機(jī)體功能的促進(jìn)作用) [27] 。 大量的試驗(yàn)及臨床應(yīng)用表明,鈦生物相容性好,能與骨形成良好骨整合,即形態(tài)上植入物與骨直接接觸,二者之間無軟組織長(zhǎng)入;功能上植入體的負(fù)荷持續(xù)傳導(dǎo),分散在骨組織中 [2] 。普遍認(rèn)為的生物相容性較好 的金屬元素為Ti、Nb、Ta、Zr及Sn、Pd等,但這僅是從生物安全性原則考慮的;從生物功能性原則考慮,在元素周期表中的所有70多種金屬元素中,只有Zr和Ti可支持造骨細(xì)胞的生長(zhǎng)和骨質(zhì)接合 [28] 。 于思榮 [29] 對(duì)一些鈦合金添加元素的毒性進(jìn)行了 總結(jié)。按金屬植入件引起的周圍組織反應(yīng),將合金添加元素分類如表1所示 [11] 。 表1?金屬植入件引起的周圍組織反應(yīng)Table1?Tissuereactionaroundmetallicimplants 按植入件周圍形成的假膜(Pseudomembrane)厚度分類 較小反應(yīng) 嚴(yán)重反應(yīng) 鈦合金,不銹鋼,Co-Cr合金Fe,Co,Cr,N,iMo,V,Mn, In 按(細(xì)胞炎癥)反應(yīng) 的類型分類 活性 膜炎性 毒性T,iZr,Nb,Ta,Pt,鈦合金 A,lFe,Mo,Ag,Au,不銹鋼Co-Cr合金 Co,N,iCu, V 212?鈦及其合金元素對(duì)耐蝕性的影響 生物醫(yī)用金屬材料在臨床應(yīng)用中面臨的主要問題是由于生理環(huán)境的腐蝕而造成的金屬離子向周圍組織擴(kuò)散以及植入材料自身性能的蛻變,前者可能導(dǎo)致毒副作用,后者可能導(dǎo)致植入失效 [30] 。所以金屬植入材 料是按其耐蝕能力而選定的。耐蝕性材料在空氣中易與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生氧化層,即所謂保護(hù)層,它阻止了材料的進(jìn)一步氧化 [31,32] 。 材料的耐生理腐蝕性是決定其植入后成敗的關(guān)鍵。鈦元素化學(xué)性活潑,在空氣中極易形成一層穩(wěn)定致密,厚約5~10nm的氧化鈦(TiO2)薄膜,具有極好的耐蝕性 [2] 。而元素Zr,Ta,Nb,Pd,Hf這些元素對(duì)軟組織呈惰 性,與人體各組織具有良好的生物相容性,并且它們的主要腐蝕產(chǎn)物在人體中比較穩(wěn)定,不易發(fā)生水解,具有很好的耐蝕性 [33] 。Okazaki [34,35] 等的研究證實(shí),當(dāng)加入 合金元素Zr,Nb,Ta和Pd后,耐蝕性增加,因?yàn)樵诓牧媳砻嫘纬闪薢rO2,Nb2O5,Ta2O5和PdO,從而加強(qiáng)了TiO2層的保護(hù)性 [36] 。Ti15Zr4Nb4Ta,Ti13Nb13Zr等B 型生物醫(yī)用鈦合金中普遍添加了這些提高耐蝕性的元素,從而使B型生物醫(yī)用鈦合金擁有良好的耐蝕性 [37] 。 由于腐蝕與材料表面和環(huán)境有關(guān),在設(shè)計(jì)和加工醫(yī)用鈦合金植入件時(shí)還必須重視改善材料的表觀質(zhì)量,如提高光潔度等,避免制品在形狀、力學(xué)設(shè)計(jì)及材料配伍上出現(xiàn)不當(dāng)。 213?鈦合金添加元素對(duì)力學(xué)性能的影響 合金元素Zr、Sn、Nb、Ta、Pd的含量對(duì)R012、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)量和斷面收縮率的影響如圖1所示。從圖1中可知,隨著Sn、Zr的添加強(qiáng)度直線上升。Sn的添加對(duì)強(qiáng)度的影響很顯著,而Zr的添加量>15%時(shí)對(duì)強(qiáng)度的增加貢獻(xiàn)很小。B相穩(wěn)定元素Nb、Ta和B相共析元素Pd對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)很小?？偟纳扉L(zhǎng)量和斷面收縮率相對(duì)合金成分的變化基本不變,但當(dāng)Sn和Zr含量>15%時(shí),此兩個(gè)值都大幅下降 [38] 。 60 《金屬熱處理》2005年第30卷第9期  3?力學(xué)性能對(duì)生物相容性的影響 311?鈦合金的彈性模量對(duì)生物相容性的影響 彈性模量是生物醫(yī)用金屬材料尤其是骨替代材料中最重要的物理性質(zhì)之一。如果金屬的彈性模量相對(duì)骨骼過高,在應(yīng)力作用下,承受應(yīng)力的金屬和骨將產(chǎn)生不同的應(yīng)變,在金屬與骨的接觸界面處出現(xiàn)相對(duì)位移,從而造成界面處的松動(dòng),影響植入器件的功能,或者造成應(yīng)力屏蔽,引起骨組織的功能退化或吸收;金屬的彈性模量過低,則在應(yīng)力作用下會(huì)造成大的變形,起不到 固定和支撐作用[8] 。 上述許多種生物醫(yī)用鈦合金都是為了得到低剛度而開發(fā)的。主要的生物醫(yī)用不銹鋼,Co-Cr系合金和鈦合金彈性模量的比較如圖2 所示。 圖1?室溫下T-iZr-Sn-Nb-Ta-Pd合金中合金 元素對(duì)力學(xué)性能的影響[38] Fig11?Effectofalloyelementscontentonmechanicalproperties inT-iZr-Sn-Nb-Ta-Pdalloysatroomtemperature [38] ??從圖2中可知,316不銹鋼和Co-Cr-Mo合金的彈性模量比皮質(zhì)骨的大得多。應(yīng)用最為廣泛的T-i6A-l4V合金的彈性模量比不銹鋼和Co基合金低許多。B型鈦合金的彈性模量比A或(A+B)型鈦合金的小許多。于是,對(duì)于低剛度B型鈦合金的研究與開發(fā),越 來越引起關(guān)注 [32] 。但鈦合金的彈性模量(55~ 110MPa)與人體骨骼的(10~30MPa)仍有較大的差距,于是,可把純鈦或鈦合金制成多孔材料,如當(dāng)純鈦中含有32%~35%(體積)氣孔率的多孔鈦便可達(dá)人體骨的彈性模量 [39] ,且細(xì)胞可長(zhǎng)入孔中,所以生物相 容性良好。張安元等[40] 已將多孔鈦合金片用于修補(bǔ) 胸壁缺損并取得成功。 圖2?皮質(zhì)骨,生物醫(yī)用B型Ti13Nb13Zr,(A+B)型Ti6Al4V, 316L不銹鋼和Co-Cr-Mo合金楊氏模量的比較[32] Fig12?ComparisonofYoungcsmodulusofcorticalbone,B-Ti13Nb13Zr,(A+B)-Ti6Al4V,316Lstainlesssteeland Co-Cr-Moalloyforbiomedicalapplications[32] 312?鈦合金的耐磨性對(duì)生物相容性的影響 磨損中產(chǎn)生的有害金屬微?；蛩樾季哂休^高的能量狀態(tài),易與體液發(fā)生化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致磨損、局部周圍組織的炎癥、毒性反應(yīng)等。材料的硬度反映材料的耐磨性,因此,可通過提高材料的硬度來改善耐磨性。 鈷基合金的耐磨性最好,不銹鋼次之。鈦及鈦合金缺點(diǎn)是硬度較低,耐磨性差。為了改善鈦及鈦合金的耐磨性能,可將鈦制品表面進(jìn)行高溫離子滲氮及應(yīng)用離子注入技術(shù)處理,通過引起晶格畸變,使制品表面呈壓應(yīng)力狀態(tài),從而提高硬度和耐磨性[8] 。Okazaki等[41] 將T-iZr系及T-iSn系合金固溶處理再時(shí)效強(qiáng)化后其硬度明顯提高。 4?結(jié)語(yǔ) ??不久的將來,鈦及其合金定會(huì)取代Ti6Al4VELI系合金而成為最重要的醫(yī)用金屬植入材料。目前的主 要任務(wù)是: (1)致力于開發(fā)出生物相容性更優(yōu)異,力學(xué)性能更接近人體皮質(zhì)骨的新型B型鈦合金。 (2)改進(jìn)熔煉爐,以減少材料損耗,制備出無偏析和缺陷的材料。 (3)完善材料設(shè)計(jì)的各種理論使其更接近現(xiàn)實(shí)材料的研究。 (4)擴(kuò)大宣傳,以使各界學(xué)者更廣泛地對(duì)此項(xiàng)研究進(jìn)行交流。