生物醫學領域用鈦合金材料性能的研究進展

黨元曉，薛蓮，王曉寧

生物醫學領域用鈦合金材料性能的研究進展

黨元曉，薛蓮，王曉寧

（昌吉學院 航空學院，新疆 昌吉 831100）

針對鈦合金材料在生物醫療領域的應用進行闡述，從生物相容性、力學性能兩方面回顧了近年來鈦合金材料在生物醫學領域的研究進展，并展望了醫用鈦合金的發展方向與研究熱點。

生物醫學；鈦合金；生物相容性；力學性能

鈦合金在結構金屬中占據相當重要的地位，在多方面顯現出突出優勢，擁有極高的生物相容性、抗腐蝕性、良好的力學性能，并且其密度相對較低、無毒副作用、成本低[1-2]，因而鈦合金在生物醫學領域，特別是在關節修復、口腔修復和骨髓修復等方面應用普遍[3]。

本文從生物相容性、力學性能這兩個方面回顧了當前生物醫學方面所用鈦合金材料的探索現狀，并展望了其未來的發展方向，為后續的深入研究提供一定依據。

1 鈦合金生物相容性方面的研究

由于鈦合金材料擁有極高的生物相容性，同時兼具其他特質而被作為植入體在生物醫療領域普遍使用。要想使鈦合金能夠長期在人體內安全、穩定地發揮作用并且達到治療成效，研制與體內骨骼、細胞等組織產生優異生物相容性的鈦合金就顯得至關重要[4]。

Kewen Li等[5]研究了石墨烯涂層對廣泛應用于髖關節和膝關節置換的鈦合金（Ti6Al4V）生物活性的影響。結果表明，G-Ti6Al4V對長春新堿的平均積分光密度（IOD）較高，細胞增殖率較高，成骨細胞特異性基因轉錄水平較高，得出石墨烯可作為Ti6Al4V支架的新型納米涂層材料，以提高其表面生物活性。

Yanjie Bai等[6]研究開發出一種具有極低楊氏模量且擁有高強度的Ti-45Nb合金，其楊氏模量相對于純Ti來講，降低到了64.3 GPa左右（接近于人體中的皮質骨），同時具有較高的抗拉強度和硬度。重要的是，Ti-45Nb合金在SBF、MAS和FAAS（含NaF的MAS）等不同介質中，能夠表現出優異的抗腐蝕性能，并且對骨骼組織、體外細胞有極高的相容性，接近人體骨骼的彈性。

Ying-SuiSun等[7]研究了人骨髓間充質干細胞（hMSCs）對低彈性模量Ti-24Nb-4Zr-8Sn（Ti2448）合金表面的不同反應。結果表明，將genipin固定在噴砂/酸蝕Ti2448合金表面，顯著增強了hMSCs細胞外基質的礦化和某些成骨標志物（骨唾液蛋白和骨鈣素）的表達，genipin固定Ti2448有利于骨科和牙種植體的應用。

J.Faure等[8]采用無細胞培養基，脫細胞DMEM溶液在堿（NaOH）處理鈦合金表面形成類骨磷灰石，通過實驗成果研究發現，該方法能夠成功地運用于經堿處理的鈦基體中，從而獲得均勻的羥基磷灰石涂層。

Nor Haliza Mat-Baharin等[9]利用浸泡方法，探討了在組織培養環境中Ti-10Mo-10Cr、Ti-10C和Ti-10Mo對口腔中牙齦成纖維細胞（HGFs）元素浸出性所產生的變化。結果顯示，Ti-10Mo-10Cr在整個浸泡過程中釋放的Mo濃度最高。采用含金屬生長培養基和直接暴露法處理的成纖維細胞，其存活率無顯著差異。浸泡時間的長短并不造成細胞的活力的變化。但是，當細胞直接生長在合金表面上時，暴露1天和7天后，細胞活性顯著受到影響。新開發的β-鈦合金對口腔中的牙齦成纖維細胞沒有產生細胞毒性。

Yanli Cai等[10]研究采用聚多巴胺薄膜誘導鈦合金表面羥基磷灰石（HA）的生長，以提高其骨傳導性。結果表明，在基底上生長的HA顆粒是由聚多巴胺膜介導的。BMP2肽均勻分布在HA涂層基質上并以持續的方式釋放。此外，HA和BMP2肽的結合增加了細胞黏附力、ALP活性和成骨標志物的基因表達，這對增強骨科醫療器械的開發具有潛在的應用價值。

Timothy E.L.Douglas等[11]通過添加劑（EBM）制備的Ti6Al4V椎間盤被一層果膠、從柑橘（C）和蘋果（A）中提取的鈣結合多糖包裹，這些多糖還含有堿性磷酸酶（ALP），這種酶負責骨組織的礦化。結果表明，ALP負載果膠涂層可促進hBMSC的黏附和增殖。

Maria DanielaVlad等[12]采用三維打印技術，以羥基磷灰石為生物活性基質，制備了具有新型非周期多孔骨樣結構的鈦合金支架。通過直接接觸成骨細胞培養，對這些新型金屬-陶瓷復合支架進行了體外細胞黏附、增殖、形態及成骨標志物基因表達的檢測，支架植入綿羊椎骨橫突和棘突并進行組織學研究。體外實驗結果表明：復合因素（定量MTT法）對細胞的黏附、增殖和活力無明顯影響；成骨細胞能夠黏附并獲得正常形態（熒光顯微鏡）；研究樣品在體外具有促進和維持成骨分化、基質成熟和礦化的能力。此外，體內實驗結果顯示，與沒有生物活性基質的鈦支架相比，復合支架具有更大的滲透性，6個月后骨完全礦化。總之，如果進行進一步的尺寸和生物力學優化，這些新型的復合支架可以替代實際的脊柱融合裝置，因為它們已經證明了成骨性能（即骨誘導和骨傳導性能）。

Fu-YuanTeng等[13]研究采用三維打印，微弧氧化（MAO）處理，Ca、P層共沉淀和BMP-2技術相結合的方法，制備了具有互連通道結構的多孔鈦合金基種植體（MAO-CaP-BMP2）。MAO-CaP-BMP2是一種很好的生長因子載體，同時具有骨誘導和骨傳導性，能創造更好的成骨和血管生成。因此，它可以促進骨形成。

2 鈦合金材料力學性能方面的研究

目前，生物醫學領域所用鈦合金材料大部分用途是制作外科植入物與矯形器械產品，例如牙種植體、人工關節和血管支架以及其他組織方面。作為植入人體內的承力型部件，所植入的材料就要擁有極高的強度，并且擁有優異的撓度與極好的彈性模量，才能夠滿足與人體相匹配，從而防止所植入的材料在體內中產生斷裂失效[14-15]。

Khalid Ahmad OmarArafa[16]研究了鈦合金和鉻鈷合金制作可摘局部義齒連接體對牙移動、骨丟失和組織反應的影響，發現鈦合金組的牙齒全方位移動范圍及骨丟失范圍明顯比鈷合金小，說明鈦合金比鉻鈷更適合制作可摘局部義齒的主要連接體。

NutnichaTeng-amnuay等[17]為了直接模擬復雜的自然骨結構，開發了將不同鈦合金鑄造成自然骨結構的熔模，對純鈦、鈦銅共晶和Ti40Zr10Cu38Pd12合金進行了鑄造對比。通過研究反應層、硬度分布、相形態和鑒定表明，Ti40Zr10Cu38Pd12的反應層厚度最小，骨小梁結構復制能力最強。

JithinVishnu等[18]研究了生物相容性亞穩β鈦合金Ti-35Nb-7Zr-5Ta（簡稱TNZT合金）在（α+β）相場中固溶處理（ST）的時效反應。結果表明，較低的時效溫度提高了塑性（大于13%的延伸率），而較高的時效溫度使試樣以脆性方式失效（延伸率小于5%）。在時效處理中，350℃-16h時效處理能夠得到最佳強度（966 MPa）和塑性（13.7%）組合；350℃-16h時效過程中ω相析出對提高拉伸強度和屈服強度起到關鍵作用；同時在500℃-8h時效過程中觀察到了塑性降低現象，主要原因是存在粗糙的透鏡狀晶界α沉淀和晶內粗α板條。

Cambre N.Kelly等[19]研究了陀螺微結構設計與SLM參數對Ti6Al4V-ELI支架結構和功能的影響。表明支架在壓縮和拉伸載荷下均表現出拉伸主導的變形行為，并且具有孔隙率依賴的剛度和強度。在陀螺結構的內壁觀察到內部空洞缺陷，作為裂紋萌生導致失效的場所。激光參數的細化導致了壓縮和拉伸疲勞行為的增加，特別是對于厚壁陀螺微結構，而薄壁沒有顯示出明顯的變化。

馬丹[20]采用選擇TC4合金作為基體材料，選擇Ni60A作為熔覆粉末，分別采用激光熔覆修復技術和激光自熔修復技術對斷裂的可摘除義齒鈦合金支架進行修復實驗，發現激光自熔修復得到的修復層表面比較平整，粗糙度低，而激光熔覆修復得到的熔覆層表面會有一層未熔融的金屬顆粒，粗糙度較高；自熔修復得到的修復層表面平均洛氏硬度值為 40.5 HRC，熔覆修復得到的修復層表面平均洛氏硬度值為54.3 HRC。

張繼武等[21]利用有限元模型仿真了種植體在口腔中所處環境，在受到垂直載荷的作用下，對比傳統合金材料(MA)種植體和新型醫用鈦合金材料(MB)種植體對牙齒骨骼、種植體、基臺的應力分布變化情況。通過分析得出，新型鈦合金材料相比于傳統種植體材料，彈性模量更為接近人體骨骼，使得基臺、種植體、螺釘等應力不同程度的降低。同時，種植體周圍的皮質骨和松質骨所產生的應力增大，刺激骨細胞的增長，骨性結合更加穩定。

魏芬絨等[22]采用水平正交實驗的方法通過調整 Ti-6Al-4V ELI化學成分中Fe、O含量、退火溫度和時間等幾方面對脊柱頂絲類醫用鈦合金Ti-6Al-4VELI棒材的力學性能方面所產生的影響。結果表明，當Fe約為0.2%，O含量約為0.13%的Ti-6Al-4V ELI鈦合金，采用650~700℃/1.5h退火處理時，可獲得強度（Rm>1 050 MPa，Rp0.2>960 MPa）、塑性（A>15%，Z>50%）、硬度（HV>310）等綜合性能優異的高強韌性Ti-6Al-4V ELI鈦合金棒材。

張嬌嬌[23]制備了新型二元合金Ti-1Zr，Ti-2Zr及Ti-16Zr合金，并對幾種合金在納米力學性能、耐腐蝕性能及耐磨性能方面進行了研究。分析表明，Ti-2Zr合金呈現出了非常高的自腐蝕電位和非常低的腐蝕電流密度，試樣耐腐蝕性排序為：Ti-2Zr >Ti-1Zr >Ti-16Zr >cpTi。與Ti-Zr合金相比，cpTi在承受外界載荷方面的能力極強，塑性變形方面微弱小，并且硬度很大。當Zr含量提高時，Ti-Zr合金承受外界載荷的能力將有所提升，塑性變形降低，硬度提高。Zr含量提高時，比磨損率也表現出下降態勢，所有試樣呈現出的耐磨性排序為：cp Ti≈Ti-16Zr >Ti-2Zr >Ti-1Zr。

趙杰等[24]分析了醫用鈦合金Ti-27Nb-8Zr在經過固溶之后，在不同時效溫度時組織方面的影響情況。分析顯示，Ti-27Nb-8Zr合金的顯微組織在經過了固溶處理以后，由β+α兩相構成，呈現出非常低的彈性模量及強度；在經過時效處理以后，存在β、α、ω三相，由此引起彈性模量與強度明顯提升，當時效溫度變高時，組織生長，彈性模量與強度有所下降。

3 結束語

雖然醫用鈦合金材料具有突出的性能，在醫療領域的用量不斷增加，但是由于人體內復雜的生理環境對醫用鈦合金性能要求很高，要滿足患者臨床治療的長效安全性和功能性，仍然需要加快鈦合金的開發與研制，特別是加強醫用鈦合金表面改性技術的研究，包括如何改善生物活性、強度、耐磨性和耐腐蝕性等更多方面的探索。相信隨著生物、醫學、機械、材料等交叉學科技術的不斷進步，后期定會研制出能夠真正融入人體、適合人體的醫用鈦合金材料。

［1］于思榮.生物醫學鈦合金的研究現狀及發展趨勢[J]. 材料科學與工程，2000（2）：131-134.

［2］李銅，徐晉勇，高波，等.生物醫用鈦合金表面改性研究進展[J/OL].熱加工工藝.https://doi.org/10.14158/j.cnki.1001-3814.20190466.

［3］于振濤，余森，程軍，等.新型醫用鈦合金材料的研發和應用現狀[J].金屬學報，2017，53（10）：1238-1264.

［4］于振濤，韓建業，麻西群，等.生物醫用鈦合金材料的生物及力學相容性[J].中國組織工程研究，2013，17（25）：4707-4714.

［5］Li Kewen, Yan Jinhong, Wang Chunhui, et al. Graphene modified titanium alloy promote the adhesion, proliferation and osteogenic differentiation of bone marrow stromal cells[J].,2017,489(2):187-192.

［6］Yanjie Bai, Yi Deng, Yunfei Zheng, et al. Characterization, corrosion behavior, cellular response and in vivo bone tissue compatibility of titanium–niobium alloy with low Young's modulus[J].,2016,59: 565-576.

［7］Ying-Sui Sun, Chi-Ya Huang, Chiang-Sang Chen, et al. Bone cell responses to a low elastic modulus titanium alloy surface immobilized with the natural cross-linker genipin[J].,2018,350:918-924.

［8］J. Faure, A. Balamurugan, H. Benhayoune, et al. Morphological and chemical characterisation of biomimetic bone like apatite formation on alkali treated Ti6Al4V titanium alloy[J].,2009,29(4):1252-1257.

［9］Nor Haliza Mat-Baharin, Masfueh Razali, Shahida Mohd-Said, et al. Influence of alloying elements on cellular response and in-vitro corrosion behavior of titanium-molybdenum-chromium alloys for implant materials[J/OL]..https:// doi.org/10.1016/j.jpor.2020.01.004.

［10］Yanli Cai, Xiaoyan Wang, Chye Khoon Poh, et al. Accelerated bone growth in vitro by the conjugation of BMP2 peptide with hydroxyapatite on titanium alloy[J].,2014,116:681-686.

［11］Timothy E.L. Douglas, Ute Hempel, Jagoda ?ydek, et al. Pectin coatings on titanium alloy scaffolds produced by additive manufacturing: Promotion of human bone marrow stromal cell proliferation[J].,2018,227: 225-228.

［12］Maria Daniela Vlad, Enrique Fernández Aguado, Sergio Gómez González, et al. Novel titanium-apatite hybrid scaffolds with spongy bone-like micro architecture intended for spinal application: In vitro and in vivo study[J/OL]..https:// doi.org/10.1016/j.msec.2020.110658.

［13］Teng Fu-Yuan, Tai I-Chun, Ho Mei-Ling, et al. Controlled release of BMP-2 from titanium with electrodeposition modification enhancing critical size bone formation[J/OL]..https://doi.org/10.1016/j. msec.2019.109879.

［14］王運鋒，何蕾，郭薇.醫用鈦合金的研究及應用現狀[J].鈦工業進展，2015，32（1）：1-6.

［15］廖贊，繆衛東，馬嘉麗.鈦合金在生物醫藥領域應用現狀和展望[J].新材料產業，2017（3）：19-24.

［16］Khalid Ahmad Omar Arafa. Comparing the effects of titanium alloy and chrome cobalt in removable partial denture connectors on tooth mobility, bone loss and tissue reaction[J].,2016,7(2):112-117.

［17］Nutnicha Teng-amnuay, Chaiyapat Tangpatjaroen, Ekasit Nisaratana- porn, et al. Replication of Trabecular Bone Structure and Reaction Layer Analysis of Titanium Alloys Using Investment Casting Technique[J].,2014,12:316-322.

［18］Jithin Vishnu, Magesh Sankar, H.J. Rack, et al. Effect of phase transformations during aging on tensile strength and ductility of metastable beta titanium alloy Ti–35Nb–7Zr–5Ta-0.35O for orthopedic applications[J/OL]..https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139127.

［19］Kelly Cambre N, Francovich Jaedyn, Julmi S, et al. Fatigue behavior of As-built selective laser melted titanium scaffolds with sheet-based gyroid microarchitecture for bone tissue engineering[J].,2019,94:610-626.

［20］馬丹. 基于鈦合金（TC4）材料的義齒逆向設計及3D打印技術研究[D].錦州：遼寧工業大學，2017.

［21］張繼武，榮起國.新型醫用鈦合金材料對種植體生物力學行為的影響[J/OL].系統仿真學報.https://doi.org/10.16182/j.issn1004731x.joss. 19-FZ0521.

［22］魏芬絨，樊亞軍，王海，等.脊柱頂絲用Ti-6Al-4V ELI鈦合金性能的研究[J].熱加工工藝，2014，43（4）：98-102.

［23］張嬌嬌. 醫用鈦合金的納米力學性能、腐蝕磨損和抗菌性能研究[D]. 太原：太原理工大學，2019.

［24］趙杰，段洪濤，李海濤.低彈性模量Ti-27Nb-8Zr醫用鈦合金組織與力學性能(英文)[J].稀有金屬材料與工程，2010，39（10）：1707-1710.

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

黨元曉（1990-），男，中級工程師/助教，工學碩士，河南省南陽市人，2016年畢業于新疆大學材料科學與工程專業，研究方向：從事模具CAD/CAE/CAM、快速成型技術、航空金屬材料技術工作。

TQ050.4+1

A

1004-0935（2020）04-0387-04