【關鍵詞】α-β鈦合金 超晶結構 α相 商用純鈦合金
隨著人口持續老齡化，對生物醫療器械所使用材料的要求日益增加。據估計，美國2030年進行髖關節置換人數將達到27200人/年，和2000年比將增加15200人/年，其中12.8%主要是對已植入髖關節進行修復。金屬材料被應用在髖關節置換或其他關節置換手術中，例如膝關節、肩關節等。金屬醫用材料還可應用在脊柱或創傷固定、血管支架及椎間盤置換等。廣泛使用的金屬材料包括不銹鋼，Co?Cr?Mo合金，Ti合金及其他特殊合金如Au?Pd合金，這些合金具有較低的彈性模量，出色的抗腐蝕性能及較好的生物相容性等優點。彈性模量在硬組織置換中是一個很重要的因素，正常骨和硬組織植入物間不同的彈性模量會產生壓力屏蔽作用，使正常骨被重吸收或植入物松弛，大多數病人都需要再次手術進行矯正。另外一個普遍關注的問題是骨頭壞死，是由于關節陷窩與相連接部件作用產生磨削而引起的，這些磨削會遷移到骨干表面，附著在正常骨上從而引起骨細胞的死亡。鈦的研究主要集中在能夠在生物醫學方面長期使用的增強型鈦合金，如之前被應用在航空航天領域的商用純鈦合金及Ti?6Al?4V。
一、商用純鈦合金
商用純鈦合金很早被應用在生物醫療器械中，如血管支架，創傷或脊柱固定器件等。Fe元素含量很低的情況下，植入物和人體之間基本上不產生不良反應。商用純鈦雖然有以上優勢，但是作為硬組織植入物，其機械強度還達不到人體要求。對機械強度的要求使得越來越多的4級商用純鈦合金被應用在生物器件中，通過提高氧元素的含量，其機械強度超過了2級商用純鈦。
R.Z. Valiev等研究報道了一種增強的純鈦合金，通過等通道轉角擠壓技術（equal channel angular pressing，ECAP）和其他的變形處理加工過程，使得2級商用純鈦合金的強度提高。實驗測試了三種狀態下純鈦的強度：400℃下ECAP（8遍）（#1），ECAP+65%冷壓延（#2）及ECAP+壓延之后300℃退火處理（#3）。超晶（Ultra-fine Grained， UFG）結構中既有等軸微結構存在，也有具有明顯邊界的亞晶粒結構存在。較之原本的粗糙晶粒的商用純鈦，經過劇烈形變后的商用純鈦的顯微硬度有明顯的提高。與粗晶鈦比較，加工后商用純鈦的最大拉伸強度可提高140%，但延展率會下降9%。
通過第三種方法處理的2級超晶商用純鈦的疲勞極限為500MPa，較之粗晶鈦其疲勞極限提高了100%。另外，疲勞范圍內低循環或高循環下的超晶鈦比粗晶鈦具有更高的疲勞強度。
C. Yao等通過#2處理制備出超晶結構鈦，體外實驗發現超晶結構能夠影響鈦植入物表面細胞的功能。雖然細胞在超晶鈦上吸附機制還在進一步研究中，但較早一些研究中，例如通過粉末冶金技術制備出納米晶粒金屬，和細胞共培養后，晶粒邊界處成骨細胞吸附量增多，所以人們越來越強調晶粒邊界的作用。
摩擦作用的研究中，表明在商用純鈦中，超晶結構叫粗晶結構就有更好的摩擦學行為。但是對于摩擦耦合的長期反應情況還不是很清楚。
二、α-β鈦合金
生物醫用的商用純鈦機械性能遠遠低于全關節置換的要求，使得Ti?6Al?4V被廣泛使用，成為生物醫學器件中應用最多的鈦合金。另外在Ti?6Al?4V的正常加工和處理過程中，常常采用不同的鈮來替代Ti?6Al?4V合金中的釩，從而可以更好的模擬Ti?6Al?4V中α和β相的比例，所以對含釩材料生物反應的關注導致Ti?6Al?7Nb合金的發展和應用。對低模量α-β鈦合金的研究致使Ti?13Nb?13Zr合金發展，它的強度系數可以和Ti?6Al?4V相媲美。
等軸α微結構合金具有較高的強度和延展性，具有較低的斷裂強度；片層狀結構具有較好的斷裂強度，適中的強度和延展性。通過微結構的調控可以改善Ti ?6Al ?4V合金在高循環下的疲勞響應性能。
通過對體內細胞功能的研究，超晶Ti?6Al?4V合金被證實對成骨細胞吸附有促進作用。Ti?6Al?4V合金中存在α和β兩相，α和β相晶粒的大小、均一性和分散性（主要是β相），以及合金內部α和β相晶粒的大小都會影響Ti?6Al?4V合金結構。退火溫度對Ti?6Al?4V合金硬度的影響，表明在合金整體微米硬度不受影響的情況下，較低的退火溫度對α和β相分布有較大的影響。
與常規晶粒合金相比，超晶合金具有較好的機械和生物響應性能。另外含有生物相容合金元素（如Nb， Zr， Ta等）的鈦合金通過不同的加工處理過程，可以形成具有超晶結構的鈦合金，使得生物性和機械性能大大提高，不過這方面研究正在進一步的研究和開發中。
三、結論
文章介紹了鈦合金材料在生物醫學領域應用的一些基本的合成方法，鈦合金以及生物醫學領域的進一步研究和發展將進一步推動新型材料和新技術的產生，使得病人的生活質量得以改善，另外要想在未來的研究中取得更大的進展，需要不同領域的專家，包括材料、生物力學以及細胞生物學方面的研究人員的通力合作。
參考文獻：
[1]M.Long，H.J.Rack，Biomaterials1998；19：1621.
[2]D.R. Sumner， J.O. Galante， Clin. Orthop. Relat. Res. 1992；274： 202.
[3] Valiev， V.V. Stolyarov， H.J. Rack， T.C. Lowe， in： S. Shrivastava（Ed.）， Medical Device Materials， ASM， Cleveland， OH， 2004. p. 362.
[4]C. Yao， J.I. Qazi， H.J. Rack， E.B. Slamovich， T.J. Webster， Improved bone cell adhesion on ultrafine grained titanium and Ti? 6Al? 4V，Ceramic Nanomaterials and Nanotechnology III，106th Acers Transactions，2004.p.159.
[5]A.K.Mishra，H.A.Davidson，P.Kovacs，R.A.Poggie，in：D.Eylon，R.R.Boyer，D.A.Koss（Eds.），Beta Titanium in the 1990s，TMS，Warrendale，PA，1993，p.61.
[6]G.W.Kuhlman，in：Y.-W.Kim，R.R.Boyer（Eds.），Microstructure/Property Relationships in Titanium Aluminides and Alloys，TMS Warrendale，PA，1991， p.465.
[7]R.I.Jaffee，G.Lutjering，in：A.K.Chakrabarti，J.C.Chestnut （Eds.），Microstructure，Fracture Toughness and Fatigue Crack Growth Rate in Titanium Alloys，TMS，Warrendale，PA，1987，p.193.
陜公網安備 61030502000103號 
