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钛合金在生物医学中的应用

来源:      2018-08-01 15:26:31      点击:

  钛合金具有良好的机械、物理及生物性能,被越来越多的应用在生物医学器械中。介绍了生物医学领域中所常使用的两种钛合金:商用纯钛合金、α-β钛合金并对其基本性能进行了简单介绍。

  随着人口持续老龄化,对生物医疗器械所使用材料的要求日益增加。据估计,美国2030年进行髋关节置换人数将达到27200人/年,和2000年比将增加15200人/年,其中12.8%主要是对已植入髋关节进行修复。金属材料被应用在髋关节置换或其他关节置换手术中,例如膝关节、肩关节等。金属医用材料还可应用在脊柱或创伤固定、血管支架及椎间盘置换等。广泛使用的金属材料包括不锈钢,CoCrMo合金,Ti合金及其他特殊合金如AuPd合金,这些合金具有较低的弹性模量,出色的抗腐蚀性能及较好的生物相容性等优点。弹性模量在硬组织置换中是一个很重要的因素,正常骨和硬组织植入物间不同的弹性模量会产生压力屏蔽作用,使正常骨被重吸收或植入物松弛,大多数病人都需要再次手术进行矫正。另外一个普遍关注的问题是骨头坏死,是由于关节陷窝与相连接部件作用产生磨削而引起的,这些磨削会迁移到骨干表面,附着在正常骨上从而引起骨细胞的死亡。钛的研究主要集中在能够在生物医学方面长期使用的增强型钛合金,如之前被应用在航空航天领域的商用纯钛合金及Ti6Al4V。

  一、商用纯钛合金

  商用纯钛合金很早被应用在生物医疗器械中,如血管支架,创伤或脊柱固定器件等。Fe元素含量很低的情况下,植入物和人体之间基本上不产生不良反应。商用纯钛虽然有以上优势,但是作为硬组织植入物,其机械强度还达不到人体要求。对机械强度的要求使得越来越多的4级商用纯钛合金被应用在生物器件中,通过提高氧元素的含量,其机械强度超过了2级商用纯钛。

  R.Z. Valiev等研究报道了一种增强的纯钛合金,通过等通道转角挤压技术(equal channel angular pressing,ECAP)和其他的变形处理加工过程,使得2级商用纯钛合金的强度提高。实验测试了三种状态下纯钛的强度:400℃下ECAP(8遍)(#1),ECAP+65%冷压延(#2)及ECAP+压延之后300℃退火处理(#3)。超晶(Ultra-fine Grained, UFG)结构中既有等轴微结构存在,也有具有明显边界的亚晶粒结构存在。较之原本的粗糙晶粒的商用纯钛,经过剧烈形变后的商用纯钛的显微硬度有明显的提高。与粗晶钛比较,加工后商用纯钛的最大拉伸强度可提高140%,但延展率会下降9%。

  通过第三种方法处理的2级超晶商用纯钛的疲劳极限为500MPa,较之粗晶钛其疲劳极限提高了100%。另外,疲劳范围内低循环或高循环下的超晶钛比粗晶钛具有更高的疲劳强度。

  C. Yao等通过#2处理制备出超晶结构钛,体外实验发现超晶结构能够影响钛植入物表面细胞的功能。虽然细胞在超晶钛上吸附机制还在进一步研究中,但较早一些研究中,例如通过粉末冶金技术制备出纳米晶粒金属,和细胞共培养后,晶粒边界处成骨细胞吸附量增多,所以人们越来越强调晶粒边界的作用。

  摩擦作用的研究中,表明在商用纯钛中,超晶结构叫粗晶结构就有更好的摩擦学行为。但是对于摩擦耦合的长期反应情况还不是很清楚。

  二、α-β钛合金

  生物医用的商用纯钛机械性能远远低于全关节置换的要求,使得Ti6Al4V被广泛使用,成为生物医学器件中应用最多的钛合金。另外在Ti6Al4V的正常加工和处理过程中,常常采用不同的铌来替代Ti6Al4V合金中的钒,从而可以更好的模拟Ti6Al4V中α和β相的比例,所以对含钒材料生物反应的关注导致Ti6Al7Nb合金的发展和应用。对低模量α-β钛合金的研究致使Ti13Nb13Zr合金发展,它的强度系数可以和Ti6Al4V相媲美。

  等轴α微结构合金具有较高的强度和延展性,具有较低的断裂强度;片层状结构具有较好的断裂强度,适中的强度和延展性。通过微结构的调控可以改善Ti 6Al 4V合金在高循环下的疲劳响应性能。

  通过对体内细胞功能的研究,超晶Ti6Al4V合金被证实对成骨细胞吸附有促进作用。Ti6Al4V合金中存在α和β两相,α和β相晶粒的大小、均一性和分散性(主要是β相),以及合金内部α和β相晶粒的大小都会影响Ti6Al4V合金结构。退火温度对Ti6Al4V合金硬度的影响,表明在合金整体微米硬度不受影响的情况下,较低的退火温度对α和β相分布有较大的影响。

  与常规晶粒合金相比,超晶合金具有较好的机械和生物响应性能。另外含有生物相容合金元素(如Nb, Zr, Ta等)的钛合金通过不同的加工处理过程,可以形成具有超晶结构的钛合金,使得生物性和机械性能大大提高,不过这方面研究正在进一步的研究和开发中。

  三、结论

  文章介绍了钛合金材料在生物医学领域应用的一些基本的合成方法,钛合金以及生物医学领域的进一步研究和发展将进一步推动新型材料和新技术的产生,使得病人的生活质量得以改善,另外要想在未来的研究中取得更大的进展,需要不同领域的专家,包括材料、生物力学以及细胞生物学方面的研究人员的通力合作。