新型无钒、低成本Ti-4.7Mo-4.5Fe合金的生物医学相容性评估

新型无钒、低成本Ti-4.7Mo-4.5Fe合金的生物医学相容性评估

目前，超过2/3的生物植入体材料都为金属，在这些生物医用金属材料中，钛合金表现出最好的生物相容性，其中，应用最广泛的生物医用钛合金为Ti-6Al-4V。但是研究表明钒元素是有毒性的，并且毒性超过了铌和铬。另外Ti-6Al-4V合金弹性模量与人骨质弹性模量不匹配会造成应力屏蔽和萎缩症。因此，无钒、低成本、低模量、高生物相容性、高强度、强抗腐蚀能力是现在生物医用钛合金的发展趋势。

埃及学者Yasser Abd-elrhman等人对一种作为候选低成本生物医用材料的新型β钛合金Ti-4.7Mo-4.5Fe(TMF55)的相容性进行了评估，研究了该合金的制备成本、微观结构、强度、硬度、抗腐蚀能力及细胞毒性，并与Ti-6Al-4V合金的性能进行了比较。

先用高纯合金元素熔炼制得TMF55钛合金，然后放入真空炉，1 273 K保温8 h，以消除成分不均匀性。再在1 073～1 123 K下热轧成2 mm厚的板材，切割制成试样，在1 173 K下进行1 h固溶处理后，用冰水淬火。最后分别在673、773、833 K下进行3 h时效处理并空冷。对试样进行XRD检测，在光学显微镜下观察组织，测量显微硬度，利用万能材料试验机绘制室温下的应力-应变曲线，用自由共振设备检测杨氏模量，并在透射电镜下观察试样的相组成。

研究结果表明：固溶处理后的TMF55钛合金中，β相含量占绝对优势，另外还有少量的斜方α″马氏体相。之后随着时效温度的不同，相组成发生变化，通过XRD和TEM检测发现，673 K时效时出现了α相和ω相，超过673 K时效时β相和α″相转变成α+β相或α相。光学显微镜观察到所有试样都有大量的等轴β相，低温时效时从晶界处析出细小的α相，高温下时效析出的α相呈稀疏分布的较粗大片状。由力学性能测试结果可知：淬火状态下TMF55钛合金的模量、延伸率和抗拉强度分别为83 GPa、3%和974 MPa，时效处理后模量、抗拉强度和显微硬度提高，延伸率下降。和Ti-6Al-4V合金相比，TMF55钛合金有更高的强度、硬度和更低的模量，但塑性低。低温时效时由于α″相的消失和ω、α相的出现使强度和硬度提高、延伸率下降。进一步提高时效温度时ω相消失，细小的α相从片层组织中析出，所以强度和硬度下降，延伸率有所上升，同时杨氏模量也会增加。高强度、高硬度、低模量使TMF55钛合金能够胜任生物医学上的应用，但是较低的塑性使它的应用有所限制。

Yasser Abd-elrhman等人还进行了TMF55钛合金在Ringer生理溶液中的电化学实验，并对材料进行了电化学阻抗频谱分析(EIS)。另外在红血球细胞中通过中性红摄入实验法对TMF55钛合金进行了细胞毒性评估。结果表明，在生理溶液中，TMF55钛合金表面很快形成了氧化薄膜，使电位增加达到稳定值。其中固溶处理和833 K时效的试样表现出最高的正电位。由动电位极化曲线可知，与Ti-6Al-4V合金相比，TMF55钛合金具有与其相当的低腐蚀电流密度和更高的腐蚀电位，表现出优秀的抗腐蚀能力。由电化学阻抗频谱分析也能得到相同结论。在TMF55钛合金表面形成的氧化层有很高的电阻值。在细胞毒性实验中，TMF55钛合金表现出和Ti-6Al-4V合金一样的良好生物相容性。

新型低成本近β型TMF55钛合金表现出极好的力学性能、抗腐蚀性能和生物相容性，因此该合金近几年受到学者们的广泛关注，很有可能成为第三代生物材料被用在永久植入体上。

张永涛摘译自《Materials and Design》