外科植入物髋关节假体TC4钛合金股骨柄显微组织和力学性能研究

安俊波 樊铂 宋铎 张晨 国家食品药品监督管理总局天津医疗器械质量监督检验中心 （天津 300384）

外科植入物髋关节假体TC4钛合金股骨柄显微组织和力学性能研究

安俊波 樊铂 宋铎 张晨 国家食品药品监督管理总局天津医疗器械质量监督检验中心 （天津 300384）

文章研究了退火态TC4钛合金股骨柄和烧结态多孔涂层股骨柄的显微组织和力学性能。结果表明，退火态显微组织为等轴状α+β组织，烧结态为粗大的网篮状组织和魏氏组织。烧结态股骨柄塑性下降较多，退火态股骨柄具有较好的综合力学性能。显微组织粗大是造成烧结态股骨柄力学性能下降的主要原因。

TC4 钛合金 股骨柄 显微组织 力学性能

Ti6Al4V（TC4）钛合金（简称，TC4钛合金）具有优良的力学性能、耐腐蚀性及生物相容性，并且价格比贵金属医用制品低廉，因此成为最受欢迎的生物医用金属材料。有关新型医用材料的研究很多，但是Ti6Al4V（TC4）钛合金仍然是国内外技术最成熟、应用最广泛的外科植入物医用钛合金，其广泛应用于齿科植入物、内固定螺钉、膝关节假体、髋关节假体和髋臼等部位[1]。

目前主要有骨水泥型和生物型两种类型的股骨柄，骨水泥型是指股骨柄植入后用骨水泥填充股骨腔并将其固定的股骨柄，生物型股骨柄是指股骨柄近端加工了涂层的股骨柄。骨水泥型股骨柄长期在人体内会逐渐下沉进而产生松动导致假体失效；生物型股骨柄表面具有多孔涂层，孔径类似于松质骨孔隙，骨小梁可以沿着孔隙长入涂层孔隙中，进而对股骨柄起到固定作用，使得股骨柄和松质骨长为一体，不易产生松动和失效，提高了假体长期植入的安全性。骨水泥型股骨柄在退火态（700～800˚C保温1～2h后空冷）下使用，本文中生物型股骨柄在β相转变温度（980～1000˚C）以上烧结多孔涂层后使用。本文主要研究了骨水泥型股骨柄和生物型股骨柄基体显微组织和力学性能，并揭示了不同类型股骨柄力学性能的差异及其产生的原因。

1.材料与方法

实验材料为某公司生产的不同批次的骨水泥型股骨柄和表面烧结纯钛珠多孔层的生物型股骨柄。采用氢氟酸-硝酸的水溶液对金相样品进行腐蚀，采用OLYPUS金相显微镜观察显微组织并拍摄金相照片，拉伸实验在INSTRON万能材料试验机上进行，拉伸试样直径为5mm的标样，采用维氏硬度计测量材料的硬度（见表1）。

表1. 材料的元素含量(质量分数/%)

2.结果与分析

2.1 显微组织

图1. 退火态显微组织

图2. 烧结态显微组织

退火态显微组织观察可见，图1中a、b为双态组织，既存在等轴初生α相，又存在片状β相显微组织。原始β晶界完全消失，等轴状初生α相无序地分布在β转变组织上[2,3]。图1a、b相比，组织均呈现均匀分布，没有明显的方向性。图1b中初生α相颗粒尺寸较大，均匀且分散，图1a中片层组织比图1b中更细小弥散，且长条状α相间分布。图1中c、d、e、f为等轴组织，原始β晶界完全消失，等轴状初生α相成为基体，均匀分布，条状的β转变组织无序地分布在初生α相基体周围。等轴状初生α相均匀分布，没有明显的方向性，周围夹杂长条状片层分布的β转变组织。图1c、d中断续分布的β转变组织呈现点状分布，细小弥散，图1d中尺寸比图1c中稍大；图1e、f中断续分布的β转变组织呈现短棒片层分布，端部圆钝，图1f中尺寸比图1e中稍大。图1c、d、e、f中等轴初生α相尺寸不断变大，同时β转变组织也从点状分布转变为短棒片层分布，尺寸不断变大，这与退火温度及保温时间有关。双态组织和等轴组织中，初生α相和β转变组织均匀弥散分布，片层分布或点状分布夹杂其间，具有明显的强化作用。

图2中a为网篮状组织，原始β晶界不同程度破坏，晶界α相不明显，晶内α相呈片状，短而粗，排列纵横交错，具有较大的长宽比，具有明显的方向性，呈现网篮编织物状分布。这是由于在β相区烧结时，β相从高温快速冷却的过程中来不及转变成α相，而是得到马氏体α′相，在随后的（α+β）相区固溶过程中，亚稳的β相和马氏体α′相分解成薄片或集束α相，在显微组织上形成稳定的网篮组织[4]。图2中b为魏氏组织，原始β晶界完全清晰，晶界α相明显，晶内α相呈粗片状规则排列，原始β晶界上存在拉长α相，晶内存在片层α相及网篮针状α相，呈针片状集束，长而平直且具有较大的纵横比[5]。

2.2 力学性能

图3中为退火态及烧结态TC4合金力学性能对比，图中可以看出退火态合金的抗拉强度、屈服强度、断裂伸长率明显高于烧结态合金的力学性能。常温下等轴组织和双态组织的力学性能相当，高于烧结态的网篮组织和魏氏组织。强度方面，烧结态抗拉强度比退火态抗拉强度低80～100MPa左右，并且抗拉强度稍高于860MPa，屈服强度稍高于780MPa，仅达到ISO 5832-3要求的最低值，表明经过烧结生物涂层之后，材料的强度出现了明显下降。塑性方面，烧结态断裂延伸率比退火态出现了大幅度的下降，最低值达到5%左右；并且3根烧结态股骨柄的断裂延伸率均远远低于10%，不符合ISO 5832-3要求断裂伸长率为10%的最低值。塑性严重下降是烧结股骨柄的最大特征，实验数据表明，经过烧结之后材料的强度和塑性均出现不同程度下降，即材料综合力学性能降低。材料力学性能下降，与材料微观组织形态息息相关，常温下晶界强度高于晶内，晶粒细小的等轴状组织和双态组织中晶界相对较多，表现为拉伸强度较高，且断裂时裂纹扩展路径较粗大的魏氏组织、网篮组织复杂，表现为塑性增加。网篮组织、魏氏组织晶粒粗大，晶界尤其明显，断裂时易发生沿晶断裂，塑性明显降低。维氏硬度测试表明，烧结态的魏氏组织、网篮组织比退火态的等轴组织、双态组织硬度高，这也和烧结态显微组织粗大不易于产生塑性变形有关。由于烧结态股骨柄静态力学性能，特别是断裂伸长率严重下降，因此需要进行动态疲劳试验来评价其是否能够长期植入患者体内而不发生断裂。

图3. 退火态及烧结态TC4合金力学性能对比（A:烧结态 B:退火态）

3.结论

第一，退火态TC4股骨柄显微组织为双态组织和等轴组织，双态组织中等轴状初生α相无序地分布在β转变组织上；等轴组织中等轴状初生α相为基体，均匀分布，条状β转变组织无序地分布在初生α相基体周围。

第二，烧结态TC4股骨柄显微组织为网篮组织和魏氏组织，网篮状组织原始β晶界不同程度破坏，晶内α相呈片状，短而粗，纵横交错排列；魏氏组织原始β晶界完全清晰，晶界α相明显，晶内α相呈片状规则排列。

第三，烧结态网篮组织、魏氏组织晶粒粗大，晶界明显，易于发生沿晶断裂，导致材料断裂伸长率严重下降。

[1] 于思成. 生物医学钛合金的研究现状及发展趋势[J]. 材料科学与工程, 2000,18(2):131-134.

[2] 周伟, 曲恒磊, 赵永庆, 等. TC4DT合金不同热处理后的组织和性能[J]. 金属热处理, 2006,31(6):56-57.

[3] 马英杰, 刘建荣, 雷家峰, 等. 多重热处理对TC4合金的组织和力学性能的影响[J]. 材料研究学报, 2008,22(5):554-560.

[4] 王蕊宁, 杨建朝, 吕利强, 等. 不同热处理工艺对工业TC4合金板材组织和性能的影响[J]. 钛工业进展, 2010,27(6):27-29.

[5] 白新房, 赵永庆, 郑翠萍, 等. 不同组织形态TC4钛合金力学性能研究[J]. 钛工业进展, 2011,28(3):26-28.

Surgical Implants Research on the Microstructures and Mechanical Properties of TC4 Titanium Alloy Hip Femoral Stem

AN Jun-bo FAN Bo SONG Duo ZHANG Chen CFDA Medical Devices Supervisor and Testing Center Tianjin (Tianjin 300384)

The microstructures and mechanical properties of TC4 titanium alloy hip femoral stem was investigated.The results show that β-phases including equiaxedαphase andβphase in annealed femoral stem when Basketweave structure was obtained after sintering porous coating in sintered femoral stem.The plasticity decreases greatly in sintered femoral stem while annealed femoral stem had a better comprehensive mechanical properties.The coarse microstructures were the main reason for the decline of the mechanical properties of the sintered femoral stem.

TC4, titanium alloy, femoral stem, microstructure, mechanical property

1006-6586(2017)11-0022-03

TG146

A

2017-02-14

安俊波，工程师。