钛合金在口腔修复支架中的研究进展

谢远光

（天津市口腔医院修复二科，天津 300041）

钛合金在口腔修复支架中的研究进展

谢远光

（天津市口腔医院修复二科，天津 300041）

如何选择一种生物学特性以及机械特性均良好的口腔修复支架材料一直以来都是是医学界的难题。近年来人们研究发现通过添加锆、铌、锡等元素，改变合金的处理工艺可以有效的降低钛合金对人体的不良反应，同时不改变其机械强度。

钛合金；口腔修复支架；研究进展

口腔修复支架由于长期受到咀嚼等动作所产生的各种力量所影响，因此其必须具备稳定的力学以及生物学性能，才能保持结构稳定性。随着材料科学的不断发展，近年来人们发现钛合金在口腔修复支架中具有很好的应用前景，其和口腔组织之间具有很好的生物相容性，同时在强度、机械性能以及耐腐蚀等其他材料所不具有的优点[1]。然而钛合金在口腔环境中钛合金材料会分解出一些对人体有害的金属离子，导致此种材料在临床应用方面存在一定的局限性[2]。目前人们通过添加不同种类的元素、材料后期加工处理等方式来改善其钛合金在口腔中的稳定性，来满足其在口腔修复支架中的应用，下面将从以下4个方面来综述钛合金在口腔修复支架中的研究进展。

1 口腔修复支架性能

日常生活中口腔常用来谈话、咀嚼，因此口腔修复支架采用的材料必须具有高弹性、高强度等性能，用以保证支架不变形，避免使用过程中出现磨损。大量调查研究发现口腔修复支架材料的拉伸强度不能＜600 MPa，而屈服强度要＞415 MPa这样才能确保支架在口腔中的固定不变形[3]。此外，长期存在于口腔中的支架材料与人体必须具有很好生物相容性、耐腐蚀且不能对机体产生不良反应[4]。过去人们常采用钴铬合金、镍镉合金等材料作为口腔修复支架的原料，然而此类合金材料对患者的口腔黏膜细胞具有一定的伤害。近年来，林培杰[5]等通过体外口腔黏膜细胞实验发现，钛合金和纯钛材料浸泡液培养的口腔黏膜细胞存活率要明显高于钴铬合金、镍镉合金等材料，说明钛合金和纯钛材料对口腔产生不良反应要显著低于传统镍镉合金、钴铬合金。Marino[6]等通过对钛合金修复支架实施酸碱热处理后浸泡试，发现其表面出现粗糙的微孔结构；其表面出现较多的钙磷的沉积，说明钛合金材料具有较高的表面性能以及生物组织融合性。

2 钛合金修复支架的缺点

目前，临床上所采用的纯钛以及钛合金修复支架仍然存在一定的问题，其中纯钛修复支架弹性模量为100 GPa、抗拉强度仅为390 MPa，此外钛的熔点1680 ℃、热传导效率低，高温下容易和空气中的碳、氢、氧以及二氧化硅基等包埋材料发生反应，产生的反应层导致铸造困难[7]。而钛合金修复支架主要由Ti-6Al-4V组成，其合金为α+β相结构，可承受890 MPa的强度，满足支架修复支架的性能需求，然而其在口腔中的长期使用会分解出微量的钒离子以及铝离子，其中钒离子可引起周围神经组织的病变，而铝离子对细胞具有很强的毒性，容易导致患者骨软化症以及老年痴呆出现，对人体具有潜在威胁[8]。

3 新型钛合金材料研究

由于Ti-6Al-4V中含有钒离子以及铝离子等对人体有毒的元素，人们开始研究其他类型的钛合金材料以降低其对人体的不良反应。目前已经研究出Ti-6Al-7Nb、Ti-10Zr-Mo以及Ti-24Nb-10Zr-7.6Sn等新型钛合金材料。其中刘霜[9]等通过比较Ti-6Al-4V和Ti-6Al-7Nb钛合金材料的综合性能，发现后者虽然拉伸强度稍低，而延伸率提高了超过40%。此外Ti-6Al-7Nb材料具有更高的耐腐蚀性、耐磨性，同时降低了铸造过程中出现气孔数目。然而Ti-6Al-7Nb材料含有铝元素，其长期在口腔中会分解出Al3+，其对细胞具有很强的毒性，容易导致患者出现老年痴呆，威胁患者身体健康。最近赵永康[10]等发现了一种新型钛合金材料Ti-24Nb-10Zr-7.9Sn，经过力学性能以及显微结构与分析发现，此种合金材料具有口腔修复支架所需要的拉伸强度＞600 MPa，然而屈服强度却＜415 MPa，因此在支架的使用中需提高支架厚度，这样导致患者舒适度降低。此外最新研究发现Ti-10Zr-Mo作为一种新型钛合金材料，其硬度、强度等要高于纯钛材料，同时具有较高加工性能、符合口腔修复支架所需的力学性能需求。然而目前采用Ti-10Zr-Mo作为口腔修复支架在临床上的应用还需进一步研究，才能确定其铸造性能以及是否会对患者出现不良反应等[11]。

4 钛合金材料综合性能提升方式

4.1 添加合金元素的种类对综合性能影响：不同的合金元素对钛合金晶粒结构以及其综合性能关系密切，而添加不同种类的元素具有特定的相。其中目前常用的铝、钒、钼、铬、硅、铁和锆加入钛合金当中会形成α+β型钛合金，这种结构的钛合金与β钛合金相比具有更高的强度以及弹性模量，可以满足口腔修复支架所需的力学性能需求。而铝、钒等元素长期与口腔接触会引起一定程度的细胞毒性，因此，如何利用某些对人体无毒性的元素来代替这类有毒的元素，同时不改变钛合金的综合性能一直是人们研究的重点[12]。目前研究发现锆、铌、锡等元素不仅具有很好的生物相容性，同时添加这类元素的钛合金可以增加口腔修复材料的耐腐蚀性能。如加入钽元素可以提高钛合金滑移的临界应力，显著增加其对形状记忆以及超弹性行为；加入锆元素和钼元素的钛合金相比其他钛合金具有更高的硬度、弹性模量以及拉伸强度；加入铌元素可以稳定钛合金的β相，从而提高其延伸率以及应变回复率[13]。此外，加入锆元素后可以降低钛合金的熔点，降低铸造不全和气孔的发生率；加入少量硫后，钛合金锻造过程中产生的硫化物颗粒可以沿晶界沉积，让金属更容易发生晶粒间断裂；加入碳、硼、氧等，可以在合金中形成间隙固溶体，这些条件均可提高合金材料的加工性能[14]。

4.2 添加合金元素的量对综合性能影响：研究发现在Ti-Zr合金中，当合金中锆质量分数达到10%的时候，其模量最高；在Ti-10Mo-nNb合金中，当铌的质量分数达到3%的时候，其强度最大，之后强度随着铌质量分数的增加而下降，塑性应变恰好相反；在Ti-22Nb-Ta合金中，当钽质量分数达到4%的时候，其屈服强度最小，之后屈服强度随钽含量提高而提高[15]。

4.3 合金处理工艺对综合性能影响：研究发现通过热处理形成第2相可以让合金产生固溶强化以及弥散强化，从而阻碍位错的移动，具有强化合金的效果；而冷加工处理可以提高合金的位错密度、强度，降低位错的可移动性。此外晶粒大小也会对合金的延伸率、强度、耐腐蚀性以及可加工性产生影响，其中小的晶体颗粒可以提高合金的均匀一致性，提尔提高其可抛光性以及冷加工强度[16]。

5 总 结

综上所述，钛合金相对于其他种类材料具有更好的生物学特性以及机械特性，特别是在口腔修复支架使用中不易出现磨损。然而某些合金元素会对人体产生一定的不良反应，因此如何降低钛合金对人体的不良反应，同时不改变其机械强度是科学界的研究重点。

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