生物醫(yī)用鈦合金材料的研究進(jìn)展

生物醫(yī)用鈦合金材料的研究進(jìn)展

1醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用前景展望金屬材料是第一種用于臨床的生物材料。它可以用于傳統(tǒng)的人體硬組織（包括所有人體干預(yù)中的骨骼和牙齒）缺損、傷口、骨科和科技事術(shù)疾病的各種修復(fù)，以及形狀和內(nèi)部固定治療。從20世紀(jì)中葉以來,以鈦合金為主的生物醫(yī)用金屬材料開始在人體硬組織植入特別是人體軟組織(包括心腦血管、外周血管及非血管如肝臟、膽道、尿道等)的介入治療方面顯示出獨(dú)特而神奇的療效,而人工關(guān)節(jié)、牙種植體、血管內(nèi)支架和心臟瓣膜等具有典型代表性的醫(yī)療器械產(chǎn)品的問世,無疑是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)里程碑,具有劃時(shí)代的意義和革命性貢獻(xiàn),使得臨床治療從初級(jí)的簡單“修復(fù)”治療上升到更高層次——組織與器官的“替代式”治療,從而極大地提高了人們的生存質(zhì)量。目前,用于外科植入物和矯形器械的醫(yī)用金屬材料主要形成了醫(yī)用不銹鋼、鈷基合金和鈦合金3大系列,它們?cè)谡麄€(gè)生物材料產(chǎn)品市場所占份額為40%左右。而鈦合金由于比重小、比強(qiáng)度高、彈性模量低、耐腐蝕以及優(yōu)良的生物相容性和加工成形性,且資源豐富,近年來已發(fā)展成為外科植入物用較理想的功能結(jié)構(gòu)材料。隨著科技進(jìn)步和臨床應(yīng)用的不斷深入,醫(yī)療器械產(chǎn)品正向長壽命、更安全、多功能、輕量化和低成本方向發(fā)展,除了對(duì)傳統(tǒng)醫(yī)用鈦合金如純鈦(TA1-TA3)和Ti6Al4V等合金的改良和優(yōu)化升級(jí)外,對(duì)新型醫(yī)用鈦合金特別是介穩(wěn)定β型鈦合金的研究開發(fā)正在成為世界各國的重點(diǎn)研究方向和前沿課題,而隨著金屬材料多孔化、微納化、非晶化以及表面改性等新技術(shù)的不斷涌現(xiàn),將極大地促進(jìn)醫(yī)用鈦合金材料在外科植入物和矯形器械產(chǎn)品中的應(yīng)用和推廣。本文從以下5個(gè)方面介紹了新型醫(yī)用鈦合金材料的設(shè)計(jì)、開發(fā)及應(yīng)用的研究現(xiàn)狀及最新進(jìn)展。2鈦合金材料的定義、分類和基本性能2.1牙種植體和血管支架生物醫(yī)用鈦合金材料是專指用于生物醫(yī)學(xué)工程的一類功能結(jié)構(gòu)材料,具體來說是用于外科植入物和矯形器械產(chǎn)品的生產(chǎn)和制造。鈦合金醫(yī)療器械產(chǎn)品如人工關(guān)節(jié)、牙種植體和血管支架等用于臨床診斷、治療、修復(fù)、替換人體組織或器官,或增進(jìn)人體組織或器官功能,其作用是藥物不能替代的。醫(yī)用鈦合金材料研究涉及材料、物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)及先進(jìn)電子顯微及生化分析等多個(gè)學(xué)科,研究方向包括:醫(yī)用金屬材料的合金設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)體系,材料的加工-組織-性能關(guān)系與人體軟、硬組織的相容性匹配,材料的表面改性(生物相容性、生物功能性、生物活性、耐磨性、耐蝕性等)及材料基體與表面(界面)的相互作用規(guī)律等。2.2生物醫(yī)用鈦合金材料的種類及特性按照外科植入物和矯形器械專業(yè)標(biāo)準(zhǔn),鈦合金材料可歸入“外科植入物用材料”中“金屬材料”一類,而鈦合金材料在非有源外科植入物、有源外科植入物和矯形器械3大類醫(yī)療器械中可充當(dāng)心血管、骨與關(guān)節(jié)、骨接合、脊柱、矯形器械、心臟起搏器與除顫器、耳蝸植入物、神經(jīng)刺激器等植入產(chǎn)品的加工材料。生物醫(yī)用鈦合金材料基本特征見表1所示。生物醫(yī)用鈦合金按材料顯微組織類型可分為α型、α+β型和β型鈦合金3類,其典型性能如表2所示。3國外生物材料的發(fā)展現(xiàn)狀和分析3.1鈦合金的應(yīng)用鈦合金在生物醫(yī)學(xué)方面的研發(fā)史可追溯到20世紀(jì)40年代初期,Bothe等人首先把純鈦引入到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,他們發(fā)現(xiàn)鈦與老鼠股骨之間無任何不良反應(yīng)。10年后Leventhal又進(jìn)一步研究證實(shí)了純鈦的良好生物相容性。但是,由于醫(yī)用不銹鋼、鈷鉻合金在二次世界大戰(zhàn)期間已開始盛行,鈦合金在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展比較緩慢。自從60年代Branemark將純鈦用于口腔種植體后,純鈦?zhàn)鳛橥饪浦踩爰牧喜诺玫搅藦V泛發(fā)展,隨后α型鈦合金Ti3Al2.5V也在臨床上被用作股骨和脛骨替換材料。純鈦等α型鈦合金雖然在生理環(huán)境中抗腐蝕性優(yōu)良,但其強(qiáng)度較低、耐磨性較差,從而限制了它在骨科較大承載部位的使用。相比之下,α+β型鈦合金Ti6Al4V具有較高的強(qiáng)度和綜合的加工性能,它雖是為航空、航天應(yīng)用設(shè)計(jì)的,但70年代后期也被廣泛用于制作外科修復(fù)或替換材料如接骨板、髖關(guān)節(jié)、髓內(nèi)釘?shù)?。純鈦、Ti3Al2.5V、Ti6Al4V鈦合金屬于第一代醫(yī)用鈦合金,這一時(shí)期材料和醫(yī)學(xué)工作者是就地取材,沒有專門開發(fā)針對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程用的鈦合金。到21世紀(jì)80年代中期,臨床應(yīng)用發(fā)現(xiàn)進(jìn)行Ti6Al4V鈦合金人工髖關(guān)節(jié)翻修手術(shù)時(shí),假體周圍骨組織有黑化和感染現(xiàn)象,隨后研究證實(shí)V是對(duì)生物體有毒副作用的元素,特別是V的生物毒性要超過Ni,Cr,而且此類合金的耐蝕性相對(duì)較差。到90年代中期,瑞士和德國先后開發(fā)出了第二代以Nb,Fe替代V的α+β型兩相醫(yī)用鈦合金Ti6Al7Nb和Ti5Al2.5Fe,而且很快被列入國際生物材料標(biāo)準(zhǔn),并開始在臨床應(yīng)用。1985年瑞士Sulzer醫(yī)療技術(shù)公司開始采用Ti6Al7Nb合金制造髖關(guān)節(jié)柄,并成功投放市場,2000年引入中國,年銷數(shù)萬套。目前傳統(tǒng)的生物醫(yī)用鈦合金可總結(jié)如表3所示。盡管如此,這2種合金仍含有毒性元素Al和Fe,其中Al被證實(shí)會(huì)引起骨軟化、貧血和神經(jīng)紊亂等癥狀;另外它們的彈性模量與骨相比仍有較大差距,容易產(chǎn)生“應(yīng)力屏蔽”,可引起骨吸收、萎縮直至假體松動(dòng)等一系列并發(fā)癥。Namba采用有限元模擬研究發(fā)現(xiàn),鈦合金假體(低E值)遠(yuǎn)端的骨應(yīng)力比鈷合金(高E值)低30%,造成假體遠(yuǎn)端比近端的骨質(zhì)疏松嚴(yán)重;在皮質(zhì)骨區(qū)域,鈦合金微孔假體柄部骨質(zhì)長入量高于鈷合金20%～30%。為此,從20世紀(jì)90年代初開始,具有較低彈性模量的熱穩(wěn)定β型兩元鈦合金Ti30Mo最先得到研究和應(yīng)用,但該類合金不能進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化,強(qiáng)韌性、彈塑性、耐磨性等仍不盡人意。近10年來多元系介穩(wěn)定β型鈦合金(簡稱介穩(wěn)β鈦)已成為第三代醫(yī)用鈦合金的主要研究開發(fā)方向,這類鈦合金包括亞穩(wěn)定β型和近β型(也稱富β的α+β型)2種類型,它可以將合金中的亞穩(wěn)定β相或馬氏體組織等不穩(wěn)定相變保留到室溫,使材料具有良好的加工塑性;然后通過后期加工和(或)熱處理調(diào)整其顯微組織,使材料的強(qiáng)度、韌性、彈性模量、耐磨性、耐蝕性以及抗疲勞等性能得到大幅調(diào)整和改善,具有“加工窗口寬”和“熱處理效應(yīng)強(qiáng)”等特點(diǎn),因此是一類容易達(dá)到材料低模量化、強(qiáng)韌性等綜合力學(xué)性能優(yōu)良匹配,與人體軟、硬組織生物及力學(xué)更加相容的優(yōu)良醫(yī)用金屬材料。Ti13Nb13Zr是美國在1994年研制且最早被正式列入國際標(biāo)準(zhǔn)的第1個(gè)低模量近β型醫(yī)用鈦合金,目前已被國際知名牙科制造商嘗試加工成牙種植體。隨后美國又開發(fā)出Ti12Mo6Zr2Fe(TMZF)亞穩(wěn)定β型鈦合金,2000年被全球最大的骨科專業(yè)集團(tuán)下屬的Strker公司用來制造髖關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)的股骨柄,已在中國得到臨床應(yīng)用。截至目前,世界各國開發(fā)成功的新型介穩(wěn)β鈦主要包括美國開發(fā)的Ti13Nb13Zr,TMZF,Ti35Nb5Ta7Zr,Ti15Mo等,日本開發(fā)的Ti15Mo5Zr3Al,Ti29Nb13Ta5Zr等,德國開發(fā)的Ti30Ta等等。我國從20世紀(jì)70年代開始醫(yī)用鈦合金材料的研究和應(yīng)用,經(jīng)過前期對(duì)Ti6Al4V,Ti6Al7Nb,Ti5Al2.5Fe醫(yī)用鈦合金的仿制研究,1999年西北有色金屬研究院在國內(nèi)首次研制出第1個(gè)具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的近α型新型醫(yī)用鈦合金TAMZ(Ti2.5Al2.5Mo2.5Zr),綜合性能與Ti6Al7Nb相當(dāng)。2005年西北有色金屬研究院在國內(nèi)又首次研制出2種新型多用途近β型醫(yī)用鈦合金Ti(3-6)Zr(2-4)Mo(24-27)Nb(TLE)和Ti(1.5-4.5)Zr(0.5-5.5)Sn(1.5-4.4)Mo(23.5-26.5)Nb(TLM)。中國科學(xué)院金屬所也開發(fā)出新型低模量近β型鈦合金Ti24Nb4Zr7.6Sn(Ti2448)。另外,北京有色金屬研究總院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)、天津大學(xué)等單位也在開展新型介穩(wěn)β鈦的應(yīng)用及相關(guān)基礎(chǔ)研究。3.2醫(yī)用鈦合金材料的篩選生物醫(yī)用鈦合金研究發(fā)展史充分表明:生物醫(yī)用鈦合金材料當(dāng)前和今后面臨的永久研究課題是如何改進(jìn)和提高其生物相容性、力學(xué)相容性和植入物安全性問題。任何材料植入人體后,在生物相容性方面必須考慮其與組織、血液以及免疫和全身反應(yīng),同時(shí)又必須滿足其力學(xué)相容性,即具有足夠的強(qiáng)度和韌性,適宜的彈性模量,以及高度的穩(wěn)定性(耐蝕、耐磨)和持久的耐用性(疲勞和斷裂),如表4所示。因?yàn)獒t(yī)療器械種類繁多,應(yīng)用環(huán)境和用途不同,對(duì)植入材料的生物和力學(xué)性能要求也不盡相同,單純追求某個(gè)醫(yī)學(xué)或力學(xué)性能指標(biāo)的高低優(yōu)劣有失偏頗,而必須考慮材料與特定植入部位的綜合性能長期匹配,如表5所示。人工關(guān)節(jié)、牙種植體和血管支架是3類在人體長期植入(設(shè)計(jì)使用壽命超過15年)的典型高端產(chǎn)品,人工關(guān)節(jié)、牙種植體材料要求在保證其足夠強(qiáng)度(一般不低于700MPa)的同時(shí)模量要盡可能與骨組織(5～30GPa)接近,而血管支架材料則要求在保證其足夠支撐力(≥900MPa)的同時(shí)必須具有優(yōu)良的柔順性,這樣模量要適當(dāng)提高。例如目前市場上大量在用的316L,CoCrMo合金冠脈血管支架的模量在190～230GPa之間。具有低模量化的TiNi超彈性合金曾最早用于自擴(kuò)式冠脈血管支架,后因其支撐力較低且過于柔順而轉(zhuǎn)向其他非血管支架應(yīng)用如食道、膽道支架等。因此,在保證生物相容性和安全性前提下,如何實(shí)現(xiàn)醫(yī)用鈦合金材料在體內(nèi)優(yōu)良的力學(xué)相容性至關(guān)重要,必須深入系統(tǒng)研究介穩(wěn)β鈦的低彈性模量及其它綜合力學(xué)性能匹配問題。目前對(duì)于醫(yī)用鈦合金整體材料的模量調(diào)控及其它綜合力學(xué)性能控制可歸結(jié)為3種方法,分別為合金成分設(shè)計(jì)、顯微組織和相變控制以及表面狀態(tài)優(yōu)化。3.2.1介穩(wěn)鈦中多元合金配比對(duì)有限元模型的影響目前國際上通常采用d電子理論、分子軌道理論、第一性原理、平均電子濃度、Mo當(dāng)量和kβ穩(wěn)定化系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式等方法進(jìn)行鈦合金成分、組織與性能的預(yù)先設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè),還包括結(jié)合先進(jìn)的計(jì)算分析軟件和方法如團(tuán)簇線配比法、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等,借助合金元素的熱、動(dòng)力學(xué)參數(shù),相組成,晶格結(jié)構(gòu)等理化參數(shù)建立數(shù)據(jù)庫或?qū)嶒?yàn)?zāi)Ｐ?這主要因?yàn)楹辖鹬刑砑釉氐碾娮咏Y(jié)構(gòu)會(huì)影響固溶體中點(diǎn)缺陷和金屬晶體結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響材料的彈性模量、鍵合力等力學(xué)參數(shù)。目前國內(nèi)外對(duì)Ti-M兩元合金研究較多,合金設(shè)計(jì)和驗(yàn)證較為便捷、準(zhǔn)確。而對(duì)于多元介穩(wěn)β鈦由于涉及參數(shù)和邊界條件太多,要大膽假設(shè),即不能被經(jīng)典理論所約束,故許多基礎(chǔ)研究需要深化。例如郝玉琳等人發(fā)明的新型低模量介穩(wěn)β鈦Ti2448電子濃度設(shè)計(jì)為4.15,它大膽突破了電子濃度為4.1～4.2這一傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)禁區(qū)(該區(qū)易形成脆性ω相)。由于介穩(wěn)β鈦中不同多元合金元素配比導(dǎo)致顯微組織、相變及其微觀塑性變形方式的復(fù)雜性使得影響醫(yī)用鈦合金力學(xué)相容性的因素很多。國內(nèi)外的研究結(jié)果也各有千秋,缺乏對(duì)其微觀本質(zhì)及其共性科學(xué)基礎(chǔ)問題的認(rèn)知。目前國內(nèi)外已研究的醫(yī)用介穩(wěn)定β鈦合金有40余個(gè),從兩元一直到六元系合金,合金元素涉及近20個(gè),其中被大量采用且對(duì)人體無毒的合金元素主要是Nb,Mo,Ta,Hf等ω相穩(wěn)定元素和中性元素Zr,Sn以及β穩(wěn)定元素O,N等,見表6。對(duì)兩元鈦合金的研究已經(jīng)證實(shí),通常α相穩(wěn)定元素對(duì)鈦合金的強(qiáng)化非常有效,但降低材料的塑韌性并提高了模量;而Zr,Nb,Mo,Sn能夠使鈦強(qiáng)化而對(duì)塑韌性的不利影響較小,同時(shí)有利于降低模量。但是基于介穩(wěn)β鈦合金設(shè)計(jì)多元化和力學(xué)相容性要求,除了嚴(yán)格選擇和控制合金元素特別是β穩(wěn)定元素配比,更重要的是關(guān)注合金多元化后交叉耦合影響,因?yàn)檠芯堪l(fā)現(xiàn)Zr,Sn,Mo,Nb,Ta等元素對(duì)多元鈦合金強(qiáng)度、塑性和模量等力學(xué)性能的影響與合金配比存在非定量依存關(guān)系,這與兩元合金的影響規(guī)律不盡相同。一般來講,提高鈦合金強(qiáng)度,其模量、硬度和耐磨性以及疲勞性能提高,而其塑性、韌性(斷裂和沖擊)和加工切削性能降低。因此,這些多重矛盾增加了醫(yī)用鈦合金力學(xué)相容性研究的復(fù)雜性,必須著力研究介穩(wěn)定β鈦合金物理冶金中元素配比、雜質(zhì)含量及其對(duì)組織均勻性的控制,揭示其中與模量及其它綜合力學(xué)性能調(diào)控密切相關(guān)的共性規(guī)律和微觀機(jī)制。3.2.2多孔鈦合金材料的力學(xué)性能醫(yī)用金屬材料加工、熱處理與其對(duì)應(yīng)的相變、微觀組織、力學(xué)行為及其微觀塑性變形機(jī)制之間關(guān)系十分密切。鈦合金在微觀塑性變形中除了滑移變形外,還可以產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變與孿生變形。因此利用介穩(wěn)定β鈦合金中高溫β相的快速冷卻形成介穩(wěn)β相或馬氏體α′,α″等中間相(過渡相),然后利用其低溫時(shí)效分解形成二次析出相(如次生α相、ω相等),或利用介穩(wěn)β相應(yīng)力誘發(fā)馬氏體(或?qū)\晶),就有可能實(shí)現(xiàn)其模量宏觀調(diào)控并達(dá)到優(yōu)良的綜合力學(xué)性能匹配。從20世紀(jì)80年代開始了大量相關(guān)研究,但研究結(jié)果各說紛紜,從不同介穩(wěn)β鈦合金中得出的馬氏體相變、孿生控制、無位錯(cuò)變形等多種不同微觀機(jī)制而得出的低模量、超塑性及低屈服應(yīng)力等不同觀點(diǎn)充分體現(xiàn)出這類新型鈦合金組織與性能的復(fù)雜性。研究發(fā)現(xiàn),對(duì)提高鈦合金模量E影響程度按相結(jié)構(gòu)依次大體為ω>α′>α>β≈α″;而對(duì)提高其顯微硬度影響程度按相結(jié)構(gòu)依次大體為ω>α′>α>β>α″,也有學(xué)者提出其他定量規(guī)律如Eα=1.5Eβ,Eω=2.0Eβ。控制適當(dāng)比例的α相和β相合金,巧妙利用ω,α′,α″中間相,可使合金強(qiáng)度、模量和塑韌性達(dá)到一個(gè)較好的綜合匹配。事實(shí)上,控制不同β穩(wěn)定元素含量首先會(huì)決定鈦合金形成亞穩(wěn)β型還是近β型相結(jié)構(gòu),而其他二次中間相的形成與后續(xù)熔煉、加工及熱處理方法和具體工藝有很大關(guān)系,但材料最終通過何種變形機(jī)制來影響其力學(xué)性能,除了宏觀上與β穩(wěn)定元素含量有關(guān)以外,其微觀本質(zhì)還有待揭示。另外O,N雜質(zhì)元素對(duì)ω相等中間相的形成、強(qiáng)化機(jī)制及對(duì)力學(xué)相容性的影響尚不十分清楚,因此必須高度關(guān)注和深入研究這些中間相的形成規(guī)律、結(jié)構(gòu)類型、形貌、尺寸、分布、體積分?jǐn)?shù)、顯微織構(gòu)等因素及其對(duì)合金模量等力學(xué)性能的影響。與致密材料相比,鈦合金多孔化處理可以有效降低其模量,且多孔鈦的強(qiáng)度和模量可以通過改變孔隙率調(diào)整,實(shí)現(xiàn)材料力學(xué)性能有效調(diào)控,改善其力學(xué)行為,以達(dá)到與硬組織良好修復(fù)或替代;另外開放的通孔結(jié)構(gòu)有利于體液的傳輸,促進(jìn)組織再生與重建,從而加快痊愈過程,但缺點(diǎn)是強(qiáng)度、塑韌性和疲勞等力學(xué)性能有待提高。目前國內(nèi)外制備鈦合金整體多孔材料主要采用液相、固相和金屬沉積3類方法,其中以固相法中的粉末冶金法(PM)研究最多,粉末燒結(jié)的發(fā)泡物一般是NaCl、TiH2、碳酸氫胺等常用材料,有人也嘗試用Mg等新材料作為發(fā)泡填充物,西北有色金屬研究院、西安交通大學(xué)等單位在多孔鈦研究方面實(shí)力較強(qiáng)。多孔材料已成為當(dāng)今生物材料研究的熱點(diǎn)和前沿,全球第一個(gè)商品化的醫(yī)用多孔鉭材料已用于人體皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨修復(fù),而鈦合金相比金屬鉭密度小、熔點(diǎn)低、化學(xué)活性高,實(shí)現(xiàn)多孔鈦商業(yè)化應(yīng)用還面臨許多技術(shù)難題,需要進(jìn)行大量深入的科學(xué)基礎(chǔ)研究,例如如何去實(shí)現(xiàn)孔徑、孔隙率和力學(xué)性能間的最佳匹配;理解多孔鈦合金結(jié)構(gòu)(形狀、尺寸、均勻性等)與力學(xué)性能(模量、強(qiáng)度等)及生物學(xué)(骨組織長入特性)的相互影響機(jī)制;探索多孔鈦新的加工方法,以及多孔鈦合金力學(xué)性能的精確調(diào)控及其加工過程、力學(xué)性能模擬和預(yù)報(bào)等。與粗晶材料相比,具有微納米結(jié)構(gòu)的超細(xì)晶材料往往具有優(yōu)良的力學(xué)、物理及化學(xué)等特性,通常具有較高強(qiáng)度、硬度、疲勞壽命和耐磨性等,一些材料還表現(xiàn)出良好的抗腐蝕能力。目前制備超細(xì)晶金屬材料主要包括物理沉積、快速凝固、非晶晶化、機(jī)械合金法等多種方法,但首推強(qiáng)塑性變形法(SPD),SPD以其強(qiáng)烈的細(xì)化晶粒能力、不易引入微孔及雜質(zhì)以及可以制備較大尺寸塊狀樣品等優(yōu)點(diǎn)已引起世界各國越來越多的關(guān)注,它為傳統(tǒng)醫(yī)用金屬材料力學(xué)性能的優(yōu)化升級(jí)指明了一條新方向。早期研究認(rèn)為,納米純金屬的模量明顯低于相應(yīng)的粗晶材料。但最近有人研究發(fā)現(xiàn),低模量是樣品加工中殘留的缺陷造成的。按照常規(guī)力學(xué)性能與晶粒尺寸關(guān)系(Hall-Petch公式)推算,納米材料應(yīng)該既具有高強(qiáng)度,又有較高韌性,但很多納米金屬材料的韌性卻遠(yuǎn)低于相應(yīng)粗晶材料,研究發(fā)現(xiàn)這與其內(nèi)部存在各類缺陷、微觀應(yīng)力及界面狀態(tài)等有關(guān)。另外,納米晶粒尺寸效應(yīng)、形貌的變化以及晶界缺陷、應(yīng)力馳豫、多尺度效應(yīng)導(dǎo)致納米晶純金屬材料力學(xué)性能的奇特變化和微觀塑性變形機(jī)理也不能完全用經(jīng)典理論進(jìn)行合理解釋。目前國內(nèi)外對(duì)多元醫(yī)用鈦合金超細(xì)晶塊材的基礎(chǔ)理論及應(yīng)用開發(fā)剛剛起步,尚有大量科學(xué)問題有待探討,例如材料的制備工藝、過程溫升及形變模擬分析、組織演化機(jī)制和結(jié)構(gòu)、織構(gòu)分析表征,以及物理、力學(xué)性能研究等。3.2.3表面納米化技術(shù)隨著材料科學(xué)與生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)、物理等學(xué)科的交叉發(fā)展,外科植入材料研究已從被動(dòng)適應(yīng)生物環(huán)境向功能性半生命方向,組織學(xué)適應(yīng)、誘導(dǎo)及參與生物體物質(zhì)、能量交換的功能性發(fā)展。因此從仿生原理、組織工程原理、基質(zhì)控制礦化的思路出發(fā),研究材料表面多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其與肌體組織之間表面/界面的相互作用與微觀機(jī)制,以提高醫(yī)用鈦合金材料的生物及力學(xué)相容性和植入安全性,將是今后醫(yī)用金屬材料發(fā)展的重要研究方向。天然骨主要由具有納米結(jié)構(gòu)的HA組成,對(duì)于骨科和齒科應(yīng)用而言,設(shè)計(jì)和獲取材料具有納米尺度的粗糙度表面顯然很有必要。Webster在陶瓷基材上驗(yàn)證了細(xì)胞對(duì)納米尺度表面粗糙度變化的響應(yīng)相對(duì)于傳統(tǒng)平滑表面粗糙度的變化更敏感,即表面納米拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)成骨細(xì)胞的增殖和分化具有重要影響:隨著材料表面粗糙度和無規(guī)則度增加,比表面積及表面能提高,細(xì)胞分化和細(xì)胞外基質(zhì)合成能力增加,同時(shí)對(duì)應(yīng)著成骨細(xì)胞諸如黏附、增殖、堿性磷酸酶活性以及含鈣礦物質(zhì)沉積能力提高。因此,表面納米化有利于提高鈦合金表面活性,改善其生物相容性,初步體外實(shí)驗(yàn)已證明納米化鈦合金能明顯促進(jìn)成骨細(xì)胞的早期黏附。另外,鈦合金中Zr,Nb,Ta等元素易形成ZrO2,Nb2O3,Ta3O5等表面氧化膜,其致密表面可抑制金屬離子溶出、提高耐蝕性,而氧化膜使表面硬度提高,加強(qiáng)了原表面TiO2層保護(hù)性,提高了耐磨性,因此將表面納米化技術(shù)應(yīng)用到人工關(guān)節(jié)、牙種植體等硬組織替代產(chǎn)品與骨接觸的界面,將有希望減少或延緩假體松動(dòng)的發(fā)生。對(duì)于心血管等介入材料而言,提高其血液相容性、降低再狹窄率始終是人們追求的目標(biāo)。醫(yī)用金屬表面生物修飾、表面接枝大分子(蛋白、肝素等)、加速內(nèi)皮細(xì)胞化等研究一直是心血管介入材料及器械的研究熱點(diǎn),特別是通過改變材料表面結(jié)構(gòu)與狀態(tài)諸如表面形貌、親疏水性、荷電性、表面能等,進(jìn)而在材料表面產(chǎn)生選擇性吸附,實(shí)現(xiàn)生物識(shí)別和治療。一般來說,血管介入支架材料表面越光滑,則越利于減少血小板黏附和血栓形成,而鈦表面氧化膜帶負(fù)電荷可抑制血栓形成,提高抗凝血性能。鈦合金表面狀態(tài)對(duì)骨組織和血液的影響可總結(jié)如表7所示。目前,實(shí)現(xiàn)金屬材料表面納米化的方法和分類很多,宏觀上主要分為3種,①表面涂層或沉積:將納米顆粒固結(jié)在材料表面,在材料上形成一個(gè)與基體化學(xué)成分相同(或不同)的納米結(jié)構(gòu)表層。這種方法的主要特征是:納米結(jié)構(gòu)表層的晶粒大小比較均勻,表層與基體之間存在著明顯的界面,材料的外形尺寸與處理前相比有所增加。許多常規(guī)表面涂層和沉積技術(shù)都具有開發(fā)的潛力,如PVD、CVD、濺射、電鍍和電解沉積等。通過工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)可以控制納米結(jié)構(gòu)表層的厚度和晶粒的尺寸。該工藝過程的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)表層與基體之間以及表層納米顆粒之間的牢固結(jié)合,并保證表層不發(fā)生晶粒長大。②表面自身納米化:對(duì)于多晶材料,采用非平衡處理方法增加材料表面的自由能,使粗晶組織逐漸細(xì)化至納米量級(jí)。這種方法的主要特征是:晶粒尺寸沿厚度方向逐漸增大,納米結(jié)構(gòu)表層與基體之間不存在界面,與處理前相比,材料的外形尺寸基本不變。由非平衡過程實(shí)現(xiàn)表面納米化主要有2種方法:表面機(jī)械加工處理法和非平衡熱力學(xué)法,不同方法所采用的工藝技術(shù)和由其所導(dǎo)致的納米化的微觀機(jī)理均存在著較大的差異。③混合方式:將表面納米化技術(shù)與化學(xué)處理相結(jié)合,在納米結(jié)構(gòu)表層形成時(shí),對(duì)材料進(jìn)行化學(xué)處理,在材料的表層形成與基體成分不同的固溶體或化合物。由于納米晶的組織形成,晶界的體積分?jǐn)?shù)明顯增大,為原子擴(kuò)散提供了理想的通道,因此化學(xué)處理更容易進(jìn)行。將前2種方法進(jìn)行比較可以看出,由表面機(jī)械加工處理導(dǎo)致的表面自身納米化更具有開發(fā)應(yīng)用的潛力,這一方面是由于表面機(jī)械加工處理法在工業(yè)上應(yīng)用不存在明顯的技術(shù)障礙,另一方面是由于材料的組織沿厚度方向呈梯度變化,在使用過程不會(huì)發(fā)生剝層和分離。因此,目前的表面納米化研究多數(shù)集中在由表面機(jī)械加工處理導(dǎo)致的表面自身納米化。能夠使材料表面產(chǎn)生局部往復(fù)強(qiáng)烈塑性變形的表面處理技術(shù)都具有實(shí)現(xiàn)表面納米化的潛力,其中比較成功的方法有:超聲噴丸、表面機(jī)械加工技術(shù)和一些常規(guī)技術(shù)如普通噴丸、沖擊和機(jī)械研磨等,利用這些技術(shù)已分別在純鐵、低碳鋼和不銹鋼等常規(guī)金屬材料上制備出納米結(jié)構(gòu)表層。表面自身納米化的技術(shù)特點(diǎn)可概括為:①操作簡單(常規(guī)表面處理方法),工業(yè)推廣應(yīng)用無明顯技術(shù)障礙;②表面納米晶與基體組織之間無明顯界面,不發(fā)生剝層和分離;③表面納米化主要適用于材料表面改性(也可材料整體),是提高傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)材料性能和壽命的有效途徑。金屬材料表面微納化后賦予其新的表面結(jié)構(gòu)和狀態(tài),它不僅保持甚至提高了材料自身的力學(xué)性能,而且使其具有了納米生物學(xué)的優(yōu)點(diǎn),因此,通過鈦合金表面多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可以探索如何利用材料表面微納米尺度的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來控制細(xì)胞的生長行為,為醫(yī)用鈦合金的設(shè)計(jì)和應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ),而圍繞醫(yī)用鈦合金表面多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工制備的新方法新技術(shù)以及經(jīng)表面狀態(tài)優(yōu)化后與肌體界面之間的微觀作用機(jī)制還需要深入研究。目前,表面機(jī)械研磨處理技術(shù)(SMAT)是近年來新興的一種表面納米化方法,應(yīng)用潛力巨大。綜上所述,醫(yī)用鈦合金材料要滿足不同臨床治療要求,必須具有優(yōu)良的生物與力學(xué)相容性。自瑞典Branemark提出骨整合理論以及德國醫(yī)生安德里亞首次提出支架構(gòu)想以來,有效解決醫(yī)用金屬假體與骨組織之間牢固結(jié)合、持久耐用以及與血管之間剛?cè)岵?jì)、降低再狹窄率等科學(xué)難題成為世界各國研究的重點(diǎn),而新型醫(yī)用鈦合金的未來發(fā)展趨勢(shì)可概括為:①深化合金成分、組織和性能的預(yù)先設(shè)計(jì)和過程控制相關(guān)的基礎(chǔ)研究,開展整體材料及表面狀態(tài)多尺度設(shè)計(jì)、優(yōu)化自身組織結(jié)構(gòu)、調(diào)控力學(xué)性能、實(shí)現(xiàn)表面功能化,滿足人體軟、硬組織修復(fù)替代產(chǎn)品的需求;②針對(duì)不同高端醫(yī)療器械產(chǎn)品,大力發(fā)展先進(jìn)的材料加工制造技術(shù)(如多孔化、超細(xì)晶、非晶化等)的應(yīng)用技術(shù)研究及方法原理的創(chuàng)新;③開展醫(yī)療器械產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì),指導(dǎo)新型鈦合金材料的設(shè)計(jì)、加工及組織與性能控制,提高醫(yī)用鈦合金材料的綜合性價(jià)比。4鈦合金新型介質(zhì)的開發(fā)與開發(fā)4.1新型介穩(wěn)鈦及其性能新型生物醫(yī)用材料的開發(fā)定型需依次經(jīng)過材料設(shè)計(jì)、性能評(píng)價(jià)、臨床試驗(yàn)后才能最終獲得應(yīng)用,其中材料設(shè)計(jì)至關(guān)重要。目前國際上對(duì)于介穩(wěn)β鈦設(shè)計(jì)主要采用d電子理論和Mo當(dāng)量經(jīng)驗(yàn)公式等方法。d電子合金理論是通過計(jì)算和控制Ti和各添加元素之間的電子軌道參數(shù)Md值(合金元素的d軌道結(jié)合強(qiáng)度,其值較低有利于相穩(wěn)定),以及Bo值(合金元素的結(jié)合次數(shù),其值較高有利于提高固溶強(qiáng)化效果)來對(duì)合金進(jìn)行設(shè)計(jì),而控制Md值在2.35～2.445和Bo值在2.75～2.85可形成介穩(wěn)定β型鈦合金。采用“Mo當(dāng)量”公式([Mo]eq=%[Mo]+%[V]/1.5+%[W]/2+%[Nb]/3.6+%[Ta]/4.5+%[Fe]/0.35+%[Cr]/0.63+%[Mn]/0.65+%[Ni]/0.8-%[Al])則需控制其值為3.6～17.7可形成介穩(wěn)β鈦。介穩(wěn)β鈦通過孿生、馬氏體和滑移變形等塑性變形獲得優(yōu)良的力學(xué)相容性,而變形屬何種形式或幾種形式復(fù)合取決于β穩(wěn)定元素(β相)、Ms轉(zhuǎn)變點(diǎn)和臨界滑移應(yīng)力,如圖1所示。目前新型醫(yī)用介穩(wěn)β鈦的主要研制國家為美國、日本、中國,俄羅斯、德國、法國、英國等國家也有少量研究。美國、日本和中國設(shè)計(jì)開發(fā)的新型介穩(wěn)β鈦如表8,9所示。4.2元素控制措施進(jìn)行醫(yī)用鈦合金元素選型設(shè)計(jì)時(shí),首先要求合金中的組成元素?zé)o毒性和無致敏性,同時(shí)要求所添加元素對(duì)合金的力學(xué)性能不良影響較小。根據(jù)純金屬及其合金的生物相容性測(cè)試,可以看出,V,Cd,Co,Hg,Cr,Ni等元素對(duì)細(xì)胞的接觸毒性較強(qiáng),Al,Fe元素次之,如表10所示。鈦合金中常見的合金化元素主要包括α相穩(wěn)定元素(Al及O,N等氣體元素)、β相穩(wěn)定元素(Mo,Nb,Ta,V等)和中性元素(Zr,Sn)3類。Al,V元素對(duì)鈦合金的強(qiáng)化非常有效,但降低了材料的塑韌性,提高了彈性模量,醫(yī)用鈦合金應(yīng)避免采用。而Zr,Nb,Mo,Sn等元素的生物相容性好,能夠使鈦強(qiáng)化而對(duì)塑性的不利影響較小,同時(shí)有利于降低合金的彈性模量,可以優(yōu)選加入。設(shè)計(jì)介穩(wěn)β鈦需對(duì)β合金穩(wěn)定元素嚴(yán)格控制,因?yàn)镹b,Ta,Hf等元素與Ti相比,密度大、熔點(diǎn)高、價(jià)格貴,加入過多,一則會(huì)使合金的成本及比重增加;二則易出現(xiàn)熔煉偏析和夾雜;三則增加β相的穩(wěn)定化程度。綜上可見,Ti,Zr,Mo,Sn,Ta,Nb,Pd,Hf及O等屬于生物相容性優(yōu)良、有利于改善力學(xué)相容性的常用合金添加元素。4.3介穩(wěn)鈦固溶法鈦合金材料的顯微組織及其力學(xué)性能與選擇的加工、熱處理方式方法和歷史過程及其對(duì)應(yīng)的相變、力學(xué)行為及其微觀塑性變形機(jī)制之間關(guān)系密切。介穩(wěn)β鈦通過固溶處理可以把亞穩(wěn)β相或馬氏體等中間相保留到室溫狀態(tài),然后利用低溫時(shí)效形成次生α相、ω相等二次析出相,進(jìn)而獲得所需的的綜合力學(xué)性能;而且通過控制適當(dāng)比例的初生α相和亞穩(wěn)β相,巧妙利用ω,α′,α等中間相,可使合金強(qiáng)度、模量和塑韌性達(dá)到一個(gè)較好的綜合匹配。醫(yī)用鈦合金熱處理及典型的顯微組織和其對(duì)力學(xué)性能的影響總結(jié)如表11,12所示。5先進(jìn)的鈦合金材料制造技術(shù)和應(yīng)用5.1多孔鈦在血管預(yù)應(yīng)力技術(shù)上的應(yīng)用生物醫(yī)用鈦合金被加工成開放多孔狀、三維貫通結(jié)構(gòu),有利于新骨細(xì)胞組織在植入體內(nèi)粘附、分化和生長及水分和養(yǎng)料的傳輸,并且其密度、強(qiáng)度和楊氏模量可以通過孔隙率的調(diào)整同自然骨相匹配,從而使外科植入件和骨組織最終溶為一體而成為一種特殊的復(fù)合材料,增加外科植入件的長期穩(wěn)定性和有效性。因此,多孔鈦及鈦合金被認(rèn)為是目前最有吸引力的生物醫(yī)用植入材料,也是今后重點(diǎn)的發(fā)展方向。目前多孔鈦的主要制備方法可總結(jié)為表13所示。2003年荷蘭J.P.Li教授采用多孔海綿法制作了多孔網(wǎng)狀鈦合金牙種植體,研究發(fā)現(xiàn)微孔尺寸為100～500μm的多孔鈦?zhàn)钣邢Ｍ米稣瓮饪蒲婪N植體材料。隨后美國Exactech公司采用鈦珠燒結(jié)法在關(guān)節(jié)柄近端得到平均孔隙尺寸為152μm、空隙率為35%的多孔表面,還采用多孔噴涂技術(shù)制成了孔徑尺寸為250～450μm、空隙率達(dá)61%的多孔表面。近年來,一些多孔鈦加工的新技術(shù)不斷涌現(xiàn),引起人們的高度重視,如20世紀(jì)90年代以來發(fā)展起來的激光立體成形(LaserSolidForming,LSF)技術(shù),已成功制備出了多孔純Ti,TiNi和TC4合金,并在人工關(guān)節(jié)臼杯上制備出了多孔CoCrMo/Ti6Al4V功能梯度材料。西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃衛(wèi)東課題組在這一領(lǐng)域的研究走在國內(nèi)前列,其自主研制出先進(jìn)的激光立體成形與修復(fù)裝備并在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。西北有色金屬研究院于振濤課題組采用激光刻蝕技術(shù)也成功地得到了表面多孔化的鈦合金材料。清華大學(xué)李言祥采用定向凝固技術(shù)制備出定向排列規(guī)則多孔鎂金屬材料,如圖2所示。5.2任務(wù)水平檢測(cè)方法在鈦合金納米鈦材料中的應(yīng)用,已取得了顯著近年來,由于超細(xì)晶材料所具有的高強(qiáng)度、長壽命和耐磨性等優(yōu)良特性,使得探索鈦合金等金屬材料微納化制備技術(shù)研究格外引人矚目,目前已研究的主要制備方法和特點(diǎn)如表14所示,最有代表性的研究工作主要集中在俄羅斯、日本、美國等國家。強(qiáng)烈塑性變形法能夠制備無殘余孔隙、界面清潔的各種大塊超細(xì)晶材料,被認(rèn)為是最有希望實(shí)現(xiàn)大批量工業(yè)化生產(chǎn)的有效途徑之一。其中俄羅斯采用等徑彎曲通道變形法(ECAP)已成功制備出納米高強(qiáng)純鈦板、棒材并加工出接骨板、螺釘和脊柱內(nèi)固定等器械(見圖3所示),納米化后純鈦材料強(qiáng)度(1150MPa,初始粗晶為440MPa)超過了工業(yè)用Ti6A14V合金,且塑性仍維持較高水平(11%),這與其內(nèi)部形成的大量大角晶界和高密度位錯(cuò)有關(guān)。國內(nèi)西安建筑科技大學(xué)趙西城等人率先開展了這方面的研究工作并研制出了納米化純鈦材料樣品。1998年Saito首次提出AccumulativeRoll-BondingProcess(ARB)方法,該法經(jīng)過多次裁剪、堆疊、軋制后可獲得大的塑性變形,但因存在界面復(fù)合,加工前試樣表面處理非常重要,同時(shí)單道次大變形量使其設(shè)備噸位要求足夠大,只適合于薄板材料加工。西北有色金屬研究院經(jīng)過對(duì)ARB方法的改進(jìn)研究,提出了簡單易行的加工工藝,順利研制出納米化的TLM鈦合金復(fù)合箔材,有關(guān)材料樣品及力學(xué)性能如圖4、表15所示。另外上海交通大學(xué)何國采用快速凝固技術(shù)也研制出具有納米尺寸的Ti-8Cu-6Fe-2Sn-10Nb醫(yī)用鈦合金材料。5.3表面改性方法醫(yī)用鈦合金雖具有良好的生物相容性,但其屬于生物惰性材料。雖然介穩(wěn)β鈦模量已較α型和α+β型鈦合金明顯降低,而且耐蝕、耐磨性也得到改善,但要充分發(fā)揮鈦合金作為人體植入件長期使用的臨床效果,還應(yīng)對(duì)合金進(jìn)行表面功能改性如生物活性、耐蝕、耐磨、抗凝血性等。目前關(guān)于鈦合金表面改性方法很多,從學(xué)科角度大體可分為物理、化學(xué)和電化學(xué)法3類,有關(guān)鈦合金表面生物活化的常見方法及特點(diǎn)見表16。西北有色金屬研究院韓建業(yè)等人采用溶膠-凝膠法在新型介穩(wěn)β鈦TLM表面制備出TiO2/HA復(fù)相梯度涂層,該涂層具有微納米連續(xù)過渡的多孔結(jié)構(gòu),有利于成骨細(xì)胞的粘附,以及成骨相關(guān)基因的激活,已成功引入到髖關(guān)節(jié)柄和牙種植體表面,如圖5所示。西南交通大學(xué)黃楠采用離子束浸沒表面改性技術(shù)在鈦合金表面形成的Ti-O膜具有寬禁帶電子結(jié)構(gòu),有效避免了引起凝血系統(tǒng)核心蛋白構(gòu)象變化并且激活了凝血系統(tǒng),該技術(shù)已開始應(yīng)用于血管支架及人工心臟瓣膜,其抗凝血性優(yōu)于市面上出售的抗凝血最好的各向同性的C涂層。5.4醫(yī)用鈦合金材料的相關(guān)分類目錄生物醫(yī)用材料可實(shí)現(xiàn)臨床診斷、治療、修復(fù)、置換和增進(jìn)人體組織或器官等功能,其應(yīng)用領(lǐng)域涉及醫(yī)療分析檢測(cè)設(shè)備、藥物控釋和載藥微系統(tǒng)、矯形與整形外科、人工器官、心腦血管介入系統(tǒng)、口腔醫(yī)學(xué)工程、血液凈化與分離、組織工程等。醫(yī)用鈦合金材料按我國外科植入和矯形器械分類目錄中的相關(guān)規(guī)定,其典型產(chǎn)品如表17所示。血管內(nèi)支架植入術(shù)已成為國內(nèi)外治療冠心病的主要有效手段,近年來其臨床適用性已超過外科手術(shù)并逐漸為廣大患者接受認(rèn)可,而隨著微創(chuàng)介入治療技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步,該微創(chuàng)介入治療技術(shù)已逐漸擴(kuò)展到外周血管和非血管腔內(nèi)疾病的治療,介入用金屬材料、制品及其相關(guān)技術(shù)正在獲得越來越廣泛的應(yīng)用,如表18所示。由于新型介穩(wěn)定β型鈦合金具有易加工成各種材料(包括板、棒、絲、管等)、綜合性能優(yōu)良(如中高強(qiáng)度、較低彈性模量、塑韌性好、抗疲勞、耐蝕等)的特點(diǎn),因而將是可兼顧骨科、齒科和血管介入等多種用途的先進(jìn)材料。6國內(nèi)企業(yè)現(xiàn)狀2005年全世界生物醫(yī)用材料的市場總額已經(jīng)達(dá)到了2100億美元,2007年世界醫(yī)療器械產(chǎn)值達(dá)3000億美元左右。據(jù)OECD統(tǒng)計(jì),2010年全球生物材料產(chǎn)業(yè)市場銷售額預(yù)計(jì)將達(dá)到4000億美元。目前國際上醫(yī)療器械主流產(chǎn)品主要涉及骨科、齒科和介入類器械產(chǎn)品,約占整個(gè)醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)的近50%,而鈦合金等醫(yī)用金屬材料則占據(jù)其中相當(dāng)大的份額。例如,2007年全球在冠脈支架、外周血管支架、頸動(dòng)脈支架等5種介入產(chǎn)品的全球市場規(guī)模達(dá)到106億美元,且每年增幅達(dá)10%以上。2007年全球種植市場銷售達(dá)到27億美元,比2006年增長20%,而近年來全球平均年增長率約為15%。人工關(guān)節(jié)替換市場年銷售額2002年已