新型生物醫用鈦合金的設計及應用進展

麻西群，于振濤，牛金龍，余 森，劉少輝，賀新杰

（西北有色金屬研究院陜西省醫用金屬材料重點實驗室，陜西 西安 710016）

材料的力學性能和生物相容性是外科植入鈦材設計的關鍵指標，傳統的外科植入鈦材的選材標準只包括2個基本因素：材料的強度和彈性模量。隨著生物醫用鈦及鈦合金植入物在臨床領域的不斷應用，生物相容性和安全性、生物力學相容性與人體骨匹配概念的提出，材料設計標準要求也隨之提高、增加，并強調4個新的主要設計因素：（1）在追求低成本的同時，繼續降低彈性模量，達到與人體骨（約 30 GPa）彈性模量的最佳匹配；（2）提高鈦合金的生物相容性，選擇無毒型的Al和V等合金元素；（3）繼續提高鈦合金的抗拉強度和疲勞強度，使之不低于傳統 Ti?6Al?4V 合金；（4）個性化設計，即針對不同年齡人群設計出適合長期和短期植入的植入體，尤其是對兒童及年輕人，要設計出骨長入較差的新型鈦合金，以避免植入物被拆除時造成新的損傷。這些因素已經成為新一代生物醫用鈦合金材料設計的基本要求。

1 國內外新型醫用鈦合金的設計方法

作為鈦合金體內植入材料，目前的研究主要集中在β型鈦合金上。而對于新型醫用低彈性模量β型鈦合金的設計理論而言，大多采用Mo當量、Kβ穩定化系數、d電子合金設計理論、平均電子濃度e/a、第一性原理和分子軌道理論等方法進行合金成分的設計和組織性能的預測。此外，還有團簇連接原子模型、神經網絡技術、模糊邏輯等方法，這些鈦合金成分設計的方法，經試驗驗證均取得了較理想的效果[1-4]。

合金元素主要通過影響Mo當量來影響合金的組織與性能，當Mo當量在0～9時，隨Mo當量的增加，強度增加。因此，Mo當量設計是獲得高強度鈦材最簡便的途徑之一。在醫用鈦合金Mo當量法設計的同時，一般還根據所添加的β穩定元素含量的不同，將其細分為近β型鈦合金、亞穩β型鈦合金和穩定β型鈦合金，常見的β穩定元素及相關設計參數如表1所示。

表1 常用β穩定化元素的臨界濃度βc對合金相變溫度的影響Tab.1 Effects of βc values of common β stabilizing elements on phase transformation temperature

圖1 Ti-M二元合金的Bo-Md圖Fig. 1 Bo-Md diagram for various Ti-M binary alloys

對于多元鈦合金系統，其合金成分較多，從而造成復雜的多相顯微結構和寬泛的力學性能。目前使用較多的是d電子合金設計理論，一般設計準則是先確定合金具有低彈性模量的電子軌道參數范圍或數值，然后根據不同合金元素的電子軌道參數及d電子合金設計理論，計算出合金的平均電子軌道參數，使之符合設定的目標，如圖1所示。圖1中繪出了不同電子軌道參數對應的合金元素與鈦的二元合金相圖。目前，大多數成功開發的新型醫用低彈性模量β型鈦合金都是采用該法設計研究的，如圖2所示。此類鈦合金的彈性模量均低于醫用純鈦和Ti?6Al?4V 鈦合金，與人體骨的彈性模量接近[5]。

根據平均價電子數與彈性模量的相關曲線規律，當平均價電子數為4.20～4.25時，合金的彈性模量較低，日本學者采用此法率先開發出了基本成分為 Ti（Nb，Ta，V）+（Zr，Hf）+O 的低彈性模量 β 型鈦合金—橡膠金屬，該合金的平均價電子數約為4.24，其彈性模量與人體骨更為接近，但強度等性能較低，無法作為外科植入材料[6]。郝玉琳等[7]發明的新型Ti2448鈦合金的平均價電子數只有4.15（如圖3所示），理論上該值并不在低彈性模量區間，但實際彈性模量最低可達40 GPa[2]。因此，該法并不適于大多數新型醫用鈦合金的設計。

模糊邏輯和神經網絡技術的合金設計法都需要大量的合金成分及相應的性能數據。使用模糊邏輯推理軟件或神經網絡軟件建立合金成分與性能的數學模型，再利用其他數據進行修正，從而進行性能預測及合金成分優化，該類設計方法目前尚不完善[1]。

圖2 常見醫用低彈性模量鈦合金在Bo-Md相穩定圖中的位置Fig. 2 Position of the common low modulus titanium alloys in Bo-Md Phase stability diagram

圖3 橡膠金屬及相近成分鈦合金的彈性模量、彈性應變和加工硬化率Fig. 3 Elasticity modulus, elastic strain and work hardening rate of gum metal and other Ti alloys with similar composition

綜上所述，新型低彈性模量β型鈦合金的設計要點主要是成分上的創新和性能的預測。常用的具有優良生物相容性的合金元素主要有Nb，Mo，Ta，Zr，Sn，Fe等，而對于低成本合金來說，Ta價格昂貴，熔點較高，不適于低成本設計的標準。而Fe會對射線造成阻礙，不利于患者術后進行CT或MRI檢查。

2 新型醫用鈦合金的設計研究最新進展

截止到目前，國際上已設計成功的低彈性模量β型鈦合金共20余種，已被納入標準的新型醫用β型鈦合金有Ti?13Nb?13Zr，Ti?12Mo?6Zr?2Fe，Ti?15Mo，Ti?15Mo?5Zr?3Al和 Ti?45Nb。其中前 3 種是為了降低應力屏蔽效應，降低合金的彈性模量和提高其生物相容性的要求，由美國設計開發的[8-9]。Ti?15Mo?5Zr?3Al合金是日本神戶制鋼在Ti?15Mo合金的基礎上按照提高耐蝕性和抗拉強度的要求進行設計的。Ti?45Nb合金的設計起初由美國按航空航天用緊固件等零部件的要求進行設計，隨后由于其具有高強度，低彈性模量和耐蝕性好等綜合性能而被引入醫用領域[10]。隨著低彈性模量β型鈦合金的不斷應用，日本開展了大量的研究，日本大同特殊鋼公司基于DV?Xα理論，采用d電子合金設計理論設計開發出了彈性模量最低為55 GPa的Ti?29Nb?13Ta?4.6Zr（TNTZ）亞穩β型鈦合金。為了降低TNTZ亞穩β型鈦合金的成本和彈性模量，提高其強度及疲勞性能，Mitsuo分別通過添加不同含量的O和Cr、大塑性變形、累積冷軋、變形誘發相變、熱機械處理等方法來優化合金的強度、彈性模量、塑性和超彈性等綜合力學性能，揭示了TNTZ亞穩β型鈦合金的彈性模量隨高壓扭轉次數或織構的增加而降低，及單晶TNTZ亞穩β型鈦合金對晶體取向的依賴性，并通過提高O含量來抑制無熱ω相的生成，提高Cr含量，合金冷變形前后彈性模量從64 GPa升高至77 GPa，因此提出了脊柱固定器用自調節彈性模量類鈦合金的設計方法[11-16]。目前，能夠達到自調節的新型鈦合金有Ti?Cr系合金，隨后發展 了 Ti?17Mo，Ti?30Zr?5Cr，Ti?30Zr?7Mo 和 Ti?30Zr?3Mo?3Cr合金。日本科研人員設計的低彈性模量鈦合金都是基于TNTZ亞穩β型鈦合金，通過改變合金元素及成分進行設計和研究的[17-18]。

近年來，生物材料學界對新型醫用鈦合金提出了新的設計準則，在鈦合金設計初期，首先必須了解植入體的類型。對于長期植入人體無需取出的植入體而言，植入體與骨的吸收越快，結合度越高則越好。對于術后需要拆卸的植入體而言，即針對植入骨髓的一類植入體，例如股骨柄、脛骨、肱骨、用于接骨板固定的螺釘和用于兒童的植入體，為了防止鈣磷沉淀使植入體長入骨頭，日本學者開發了一系列具有高強度、低彈性模量和優異生物相容性的Ti?Zr系合金，如 Ti?Zr?Nb，Ti?Zr?Nb?Ta，Ti?Zr?Al?V合金。其中，Ti?30Zr?xMo 合金已經被充分發展為適用于可取出植入體的最佳材料[19-20]。之后，還開發出了具有自調節彈性模量的Ti?30Zr?7Mo和Ti?30Zr?3Mo?3Cr合金。這主要是由于Zr一方面是骨頭的成分之一，另一方面Zr的質量分數達到25%以上時，能夠抑制鈣磷沉淀。

國內，郝玉琳等[7,21]在低彈性模量鈦合金領域取得了較好的研究成果，該團隊研發的多功能Ti2448低彈性模量鈦合金已先后獲得美國和中國專利授權，2006年建立材料企業標準1項，采用該合金制作的骨科用接骨板和脊柱固定系統兩類植入器件已完成臨床試驗。

西北有色金屬研究院生物材料研究所自20世紀70年代就致力于各類醫用金屬材料的設計、研發及產業化應用，尤其是在相關鈦合金材料的研發和產業化應用方面均走在世界前列。自1999年，已先后開發出 Ti?2.5Al?2.5Mo?2.5Zr（TAMZ）（第一個具有我國自主知識產權的醫用鈦合金）、Ti ?25Nb?3Zr?2Sn?3Mo（TLM）、Ti?15Nb?5Zr?3Mo（TLE）、Ti?10Mo?6Zr?4Sn?3Nb（TB12）醫用鈦合金板、棒、管、絲、箔材及超細晶塊體材料等外科植入加工材。其中，TLM鈦合金不僅剔除了傳統醫用鈦材中含有的Al，V等毒性或過敏性元素，其相組成也非常多樣化（α″，ω，α，β），不同組織下的力學性能可調范圍大：抗拉強度為 645～1 270 MPa，彈性模量為40～90 GPa，疲勞強度為450～720 MPa。此類合金寬泛的性能不僅能夠滿足目前傳統外科植入用鈦材所要求的性能指標，而且具有一定的可調性和超彈性[9-10]，非常適應用于今后理想外科植入物隨人體骨力學參數的自適應調整。

圖4為TLM鈦合金髓內針及牙種植體以及相關的力學性能數據。目前，圍繞TLM鈦合金的研究已取得多項國家發明專利[22-24]。低彈性模量的TLM鈦合金的設計準則是：

圖4 TLM鈦合金相關醫療器械及性能數據Fig.4 Medical devices made of TLM titanium alloy and the mechanical properties

（1）選擇低成本、無毒性合金元素，并確定以Ti?Nb合金系作為合金設計的基礎體系；

（2）采用d電子理論、Mo當量經驗公式及Kβ穩定系數相結合的方法，根據鈦合金二元相圖及d電子軌道相圖，選擇低彈性模量和能夠產生多種亞穩態相變及馬氏體的區間，以便獲得更加寬泛的性能區間；同時，根據Mo當量及Kβ穩定系數與相變溫度曲線圖確定鈦合金處于介穩狀態的參數，依據第一性原理計算Sn，Zr，Mo對鈦合金強度、彈性模量及馬氏體轉變溫度的影響；

（3）考慮鈦合金難加工的工藝性特點，優化、計算并反復預測合金元素及其含量對TLM鈦合金生物力學性能的影響，并通過試驗檢測和進一步優化獲得穩定的具有寬泛性能的新型低彈性模量的醫用鈦合金。

目前，TLM鈦合金和TB12鈦合金外科植入加工材已分別于2005年、2016年建立了西北有色金屬研究院企業標準3項、工藝規程3項。TLM鈦合金被制作為各類接骨板、接骨螺釘、顱骨修復網板、牙種植體、血管支架及心臟殼形件等器械。TB12鈦合金牙弓絲也已被國內某知名公司用于牙弓絲的生產和銷售。

3 生物醫用鈦合金材料的未來發展方向

近年來，鈦合金在生物醫用領域的應用呈快速發展的趨勢，這也將對鈦合金的性能提出更高的要求。結合國內外當前的研究現狀，得出生物醫用鈦合金材料未來發展的方向如下：

（1）單晶生物醫用鈦合金，沿某一方向生長獲得的單晶材料可獲得接近人體骨的彈性模量，用這種單晶制作植入體具有更好的彈性模量匹配；

（2）超細晶低彈性模量、高強度鈦合金的生物力學相容性及產業化技術研究；

（3）超彈性和形狀記憶功能醫用低彈性模量鈦合金的組織性能調控；

（4）通過調節孔隙率的大小來降低生物醫用多孔鈦合金材料彈性模量的同時，如何提升其力學性能。