醫(yī)用鈦合金的設(shè)計過程與研發(fā)應(yīng)用

1940年初期，鈦合金的研發(fā)工作開始逐步進行，Bothe等人將鈦應(yīng)用于老鼠骨中，發(fā)現(xiàn)鼠骨與鈦的相容性較好，沒有不良反應(yīng)發(fā)生。到了20世紀(jì)50～60年代，研發(fā)出了具有耐高溫特性的鈦合金，70年代初期又有一批耐蝕鈦合金相繼研制出，在80年代中期階段，第2代無釩的a+β型鈦合金(Ti-6Al-7Nb和Ti-5Al-2.5Fe)也被研制出，在臨床中得到一定的應(yīng)用，但該種合金中有毒元素Al和Fe會對人體帶來一定的傷害，并且該合金的彈性模量還達不到真正股骨的標(biāo)準(zhǔn)，會產(chǎn)生“應(yīng)力屏蔽”使種植體周圍出現(xiàn)骨吸收的現(xiàn)象，引起種植體斷裂或松動從而導(dǎo)致植入失敗。到了1990年伊始，美國和日本開始致力于研究第三代新型的醫(yī)用鈦合金，其中以β型鈦合金為主。

鈦合金雖具有良好的生物相容性，但其屬于生物惰性材料。耐磨性較低，在磨損條件下容易產(chǎn)生大量的含有鈦的磨屑，甚至可誘發(fā)炎癥反應(yīng),導(dǎo)致植入體周圍的骨組織溶解，大大降低了其使用壽命。對鈦合金進行表面改性可以在保留鈦合金原有的優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上，使其生物相容性、耐磨性、耐蝕性等方面增強，改善其臨床使用性能從而更好的發(fā)揮其使用價值。鈦合金表面改性方法有很多種，包括氧化改性法、氣相沉積法、離子注入法、等離子噴涂法及激光表面改性法等。

在選擇適應(yīng)于醫(yī)用材料時，對于不同部位，材料的彈性模量、韌性、強度、耐蝕性等相關(guān)指標(biāo)成為考慮的必備因素。于振濤等人將不同金屬元素進行實驗比較，他們的研究結(jié)果顯示如下：V，Co，Cd，Cr，Ni，Hg等元素毒性較強，F(xiàn)e，Al元素次之。在生物體內(nèi)脾、肝、腎等部位發(fā)現(xiàn)有V的離子析出物，其生物毒性較大；而Al元素也會以Al鹽形式在體內(nèi)蓄積從而導(dǎo)致人體的神經(jīng)系統(tǒng)紊亂以及相應(yīng)器官受損。Ta，Mo，Zr，Sn，Pd，Hf，Nb等元素生物相容性較好，可以作為合金的添加元素。Mo，Sn，Zr，TaHf，Nb，Pd的化學(xué)穩(wěn)定性好，并且Ta，Nb，Zr，Mo能夠使合金的彈性模量降低，因此可以有效改善合金的穩(wěn)定性能。綜上分析，理想的生物醫(yī)用鈦合金可以選擇的合金系包括Ti-Mo-Nb、Ti-Zr-Nb、Ti-Zr-Mo-Nb和Ti-Zr-Sn-Mo-Nb等。

在鈦合金的設(shè)計過程中，d電子設(shè)計理論為合金設(shè)計的基本方法?；舅枷胧牵和ㄟ^對Ti及其各添加元素的電子軌道參數(shù)進行計算，得到相應(yīng)的Md值和Bo值，進而對合金的彈性模量和抗拉強度等有關(guān)參數(shù)進行分析。實驗表明，Md值較低有利于相穩(wěn)定，Bo值較高有利于提高固溶的強化效果。在對介穩(wěn)定β型鈦合金進行設(shè)計時，應(yīng)該控制Md值2.35~2.45以及Bo值為2.75~2.85之間。熱穩(wěn)定β型鈦合金在進行塑性加工時會發(fā)生滑移變形，而介穩(wěn)定β型鈦合金則可發(fā)生滑移、馬氏體或?qū)\生變形。因而通過控制不同的合金顯微組織結(jié)構(gòu)可以使材料性能在較大范圍內(nèi)得以提升。