生物医学领域用钛合金材料性能的研究进展

党元晓，薛莲，王晓宁

生物医学领域用钛合金材料性能的研究进展

党元晓，薛莲，王晓宁

（昌吉学院 航空学院，新疆 昌吉 831100）

针对钛合金材料在生物医疗领域的应用进行阐述，从生物相容性、力学性能两方面回顾了近年来钛合金材料在生物医学领域的研究进展，并展望了医用钛合金的发展方向与研究热点。

生物医学；钛合金；生物相容性；力学性能

钛合金在结构金属中占据相当重要的地位，在多方面显现出突出优势，拥有极高的生物相容性、抗腐蚀性、良好的力学性能，并且其密度相对较低、无毒副作用、成本低[1-2]，因而钛合金在生物医学领域，特别是在关节修复、口腔修复和骨髓修复等方面应用普遍[3]。

本文从生物相容性、力学性能这两个方面回顾了当前生物医学方面所用钛合金材料的探索现状，并展望了其未来的发展方向，为后续的深入研究提供一定依据。

1 钛合金生物相容性方面的研究

由于钛合金材料拥有极高的生物相容性，同时兼具其他特质而被作为植入体在生物医疗领域普遍使用。要想使钛合金能够长期在人体内安全、稳定地发挥作用并且达到治疗成效，研制与体内骨骼、细胞等组织产生优异生物相容性的钛合金就显得至关重要[4]。

Kewen Li等[5]研究了石墨烯涂层对广泛应用于髋关节和膝关节置换的钛合金（Ti6Al4V）生物活性的影响。结果表明，G-Ti6Al4V对长春新碱的平均积分光密度（IOD）较高，细胞增殖率较高，成骨细胞特异性基因转录水平较高，得出石墨烯可作为Ti6Al4V支架的新型纳米涂层材料，以提高其表面生物活性。

Yanjie Bai等[6]研究开发出一种具有极低杨氏模量且拥有高强度的Ti-45Nb合金，其杨氏模量相对于纯Ti来讲，降低到了64.3 GPa左右（接近于人体中的皮质骨），同时具有较高的抗拉强度和硬度。重要的是，Ti-45Nb合金在SBF、MAS和FAAS（含NaF的MAS）等不同介质中，能够表现出优异的抗腐蚀性能，并且对骨骼组织、体外细胞有极高的相容性，接近人体骨骼的弹性。

Ying-SuiSun等[7]研究了人骨髓间充质干细胞（hMSCs）对低弹性模量Ti-24Nb-4Zr-8Sn（Ti2448）合金表面的不同反应。结果表明，将genipin固定在喷砂/酸蚀Ti2448合金表面，显著增强了hMSCs细胞外基质的矿化和某些成骨标志物（骨唾液蛋白和骨钙素）的表达，genipin固定Ti2448有利于骨科和牙种植体的应用。

J.Faure等[8]采用无细胞培养基，脱细胞DMEM溶液在碱（NaOH）处理钛合金表面形成类骨磷灰石，通过实验成果研究发现，该方法能够成功地运用于经碱处理的钛基体中，从而获得均匀的羟基磷灰石涂层。

Nor Haliza Mat-Baharin等[9]利用浸泡方法，探讨了在组织培养环境中Ti-10Mo-10Cr、Ti-10C和Ti-10Mo对口腔中牙龈成纤维细胞（HGFs）元素浸出性所产生的变化。结果显示，Ti-10Mo-10Cr在整个浸泡过程中释放的Mo浓度最高。采用含金属生长培养基和直接暴露法处理的成纤维细胞，其存活率无显著差异。浸泡时间的长短并不造成细胞的活力的变化。但是，当细胞直接生长在合金表面上时，暴露1天和7天后，细胞活性显著受到影响。新开发的β-钛合金对口腔中的牙龈成纤维细胞没有产生细胞毒性。

Yanli Cai等[10]研究采用聚多巴胺薄膜诱导钛合金表面羟基磷灰石（HA）的生长，以提高其骨传导性。结果表明，在基底上生长的HA颗粒是由聚多巴胺膜介导的。BMP2肽均匀分布在HA涂层基质上并以持续的方式释放。此外，HA和BMP2肽的结合增加了细胞黏附力、ALP活性和成骨标志物的基因表达，这对增强骨科医疗器械的开发具有潜在的应用价值。

Timothy E.L.Douglas等[11]通过添加剂（EBM）制备的Ti6Al4V椎间盘被一层果胶、从柑橘（C）和苹果（A）中提取的钙结合多糖包裹，这些多糖还含有碱性磷酸酶（ALP），这种酶负责骨组织的矿化。结果表明，ALP负载果胶涂层可促进hBMSC的黏附和增殖。

Maria DanielaVlad等[12]采用三维打印技术，以羟基磷灰石为生物活性基质，制备了具有新型非周期多孔骨样结构的钛合金支架。通过直接接触成骨细胞培养，对这些新型金属-陶瓷复合支架进行了体外细胞黏附、增殖、形态及成骨标志物基因表达的检测，支架植入绵羊椎骨横突和棘突并进行组织学研究。体外实验结果表明：复合因素（定量MTT法）对细胞的黏附、增殖和活力无明显影响；成骨细胞能够黏附并获得正常形态（荧光显微镜）；研究样品在体外具有促进和维持成骨分化、基质成熟和矿化的能力。此外，体内实验结果显示，与没有生物活性基质的钛支架相比，复合支架具有更大的渗透性，6个月后骨完全矿化。总之，如果进行进一步的尺寸和生物力学优化，这些新型的复合支架可以替代实际的脊柱融合装置，因为它们已经证明了成骨性能（即骨诱导和骨传导性能）。

Fu-YuanTeng等[13]研究采用三维打印，微弧氧化（MAO）处理，Ca、P层共沉淀和BMP-2技术相结合的方法，制备了具有互连通道结构的多孔钛合金基种植体（MAO-CaP-BMP2）。MAO-CaP-BMP2是一种很好的生长因子载体，同时具有骨诱导和骨传导性，能创造更好的成骨和血管生成。因此，它可以促进骨形成。

2 钛合金材料力学性能方面的研究

目前，生物医学领域所用钛合金材料大部分用途是制作外科植入物与矫形器械产品，例如牙种植体、人工关节和血管支架以及其他组织方面。作为植入人体内的承力型部件，所植入的材料就要拥有极高的强度，并且拥有优异的挠度与极好的弹性模量，才能够满足与人体相匹配，从而防止所植入的材料在体内中产生断裂失效[14-15]。

Khalid Ahmad OmarArafa[16]研究了钛合金和铬钴合金制作可摘局部义齿连接体对牙移动、骨丢失和组织反应的影响，发现钛合金组的牙齿全方位移动范围及骨丢失范围明显比钴合金小，说明钛合金比铬钴更适合制作可摘局部义齿的主要连接体。

NutnichaTeng-amnuay等[17]为了直接模拟复杂的自然骨结构，开发了将不同钛合金铸造成自然骨结构的熔模，对纯钛、钛铜共晶和Ti40Zr10Cu38Pd12合金进行了铸造对比。通过研究反应层、硬度分布、相形态和鉴定表明，Ti40Zr10Cu38Pd12的反应层厚度最小，骨小梁结构复制能力最强。

JithinVishnu等[18]研究了生物相容性亚稳β钛合金Ti-35Nb-7Zr-5Ta（简称TNZT合金）在（α+β）相场中固溶处理（ST）的时效反应。结果表明，较低的时效温度提高了塑性（大于13%的延伸率），而较高的时效温度使试样以脆性方式失效（延伸率小于5%）。在时效处理中，350℃-16h时效处理能够得到最佳强度（966 MPa）和塑性（13.7%）组合；350℃-16h时效过程中ω相析出对提高拉伸强度和屈服强度起到关键作用；同时在500℃-8h时效过程中观察到了塑性降低现象，主要原因是存在粗糙的透镜状晶界α沉淀和晶内粗α板条。

Cambre N.Kelly等[19]研究了陀螺微结构设计与SLM参数对Ti6Al4V-ELI支架结构和功能的影响。表明支架在压缩和拉伸载荷下均表现出拉伸主导的变形行为，并且具有孔隙率依赖的刚度和强度。在陀螺结构的内壁观察到内部空洞缺陷，作为裂纹萌生导致失效的场所。激光参数的细化导致了压缩和拉伸疲劳行为的增加，特别是对于厚壁陀螺微结构，而薄壁没有显示出明显的变化。

马丹[20]采用选择TC4合金作为基体材料，选择Ni60A作为熔覆粉末，分别采用激光熔覆修复技术和激光自熔修复技术对断裂的可摘除义齿钛合金支架进行修复实验，发现激光自熔修复得到的修复层表面比较平整，粗糙度低，而激光熔覆修复得到的熔覆层表面会有一层未熔融的金属颗粒，粗糙度较高；自熔修复得到的修复层表面平均洛氏硬度值为 40.5 HRC，熔覆修复得到的修复层表面平均洛氏硬度值为54.3 HRC。

张继武等[21]利用有限元模型仿真了种植体在口腔中所处环境，在受到垂直载荷的作用下，对比传统合金材料(MA)种植体和新型医用钛合金材料(MB)种植体对牙齿骨骼、种植体、基台的应力分布变化情况。通过分析得出，新型钛合金材料相比于传统种植体材料，弹性模量更为接近人体骨骼，使得基台、种植体、螺钉等应力不同程度的降低。同时，种植体周围的皮质骨和松质骨所产生的应力增大，刺激骨细胞的增长，骨性结合更加稳定。

魏芬绒等[22]采用水平正交实验的方法通过调整 Ti-6Al-4V ELI化学成分中Fe、O含量、退火温度和时间等几方面对脊柱顶丝类医用钛合金Ti-6Al-4VELI棒材的力学性能方面所产生的影响。结果表明，当Fe约为0.2%，O含量约为0.13%的Ti-6Al-4V ELI钛合金，采用650~700℃/1.5h退火处理时，可获得强度（Rm>1 050 MPa，Rp0.2>960 MPa）、塑性（A>15%，Z>50%）、硬度（HV>310）等综合性能优异的高强韧性Ti-6Al-4V ELI钛合金棒材。

张娇娇[23]制备了新型二元合金Ti-1Zr，Ti-2Zr及Ti-16Zr合金，并对几种合金在纳米力学性能、耐腐蚀性能及耐磨性能方面进行了研究。分析表明，Ti-2Zr合金呈现出了非常高的自腐蚀电位和非常低的腐蚀电流密度，试样耐腐蚀性排序为：Ti-2Zr >Ti-1Zr >Ti-16Zr >cpTi。与Ti-Zr合金相比，cpTi在承受外界载荷方面的能力极强，塑性变形方面微弱小，并且硬度很大。当Zr含量提高时，Ti-Zr合金承受外界载荷的能力将有所提升，塑性变形降低，硬度提高。Zr含量提高时，比磨损率也表现出下降态势，所有试样呈现出的耐磨性排序为：cp Ti≈Ti-16Zr >Ti-2Zr >Ti-1Zr。

赵杰等[24]分析了医用钛合金Ti-27Nb-8Zr在经过固溶之后，在不同时效温度时组织方面的影响情况。分析显示，Ti-27Nb-8Zr合金的显微组织在经过了固溶处理以后，由β+α两相构成，呈现出非常低的弹性模量及强度；在经过时效处理以后，存在β、α、ω三相，由此引起弹性模量与强度明显提升，当时效温度变高时，组织生长，弹性模量与强度有所下降。

3 结束语

虽然医用钛合金材料具有突出的性能，在医疗领域的用量不断增加，但是由于人体内复杂的生理环境对医用钛合金性能要求很高，要满足患者临床治疗的长效安全性和功能性，仍然需要加快钛合金的开发与研制，特别是加强医用钛合金表面改性技术的研究，包括如何改善生物活性、强度、耐磨性和耐腐蚀性等更多方面的探索。相信随着生物、医学、机械、材料等交叉学科技术的不断进步，后期定会研制出能够真正融入人体、适合人体的医用钛合金材料。

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Research Progress in Titanium Alloy Materials Used in Biomedical Field

（Aeronautical Institute, Changji University, Xinjiang Changji 831100, China）

The research progress of titanium alloy in biomedical field in recent years was reviewed from two aspects of biocompatibility and mechanical properties, and the development direction and research hotspot of medical titanium alloy were prospected.

biomedicine; titanium alloy; biocompatibility; mechanical properties

2020-04-07

党元晓（1990-），男，中级工程师/助教，工学硕士，河南省南阳市人，2016年毕业于新疆大学材料科学与工程专业，研究方向：从事模具CAD/CAE/CAM、快速成型技术、航空金属材料技术工作。

TQ050.4+1

A

1004-0935（2020）04-0387-04