医用钛合金添加元素专利分析

曾彩霞，朱　虹，周　珑，傅晓亮国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心材料工程发明审查部，北京　100083

医用钛合金添加元素专利分析

曾彩霞，朱虹，周珑，傅晓亮
国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心材料工程发明审查部，北京100083

摘要专利具有新颖性、创造性和实用性的特点，专利信息成为科学研究和新产品开发的重要信息来源。本文从医用钛合金添加元素专利分析角度入手，就钛合金成分发展过程、添加元素的作用、元素添加率和添加元素在元素周期表中的分布四方面进行专利分析。

关键词医用钛合金；专利分析；添加元素

在生物医用金属材料中，钛合金以其与骨相近似的弹性模量、良好的生物相容性及生物环境下优良的抗腐蚀性得到了越来越多的应用，已经成为人工关节、脊柱矫形内固定系统、骨创伤产品、介入性心血管支架、牙种植体等医用内植物产品的首选材料。按其材料合金成分而言，医用钛合金可分为Ti-Nb系、Ti-Mo系、Ti-Zr系、Ti-Ta系和Ti-Al系合金。专利申请量最大的为TiNb 和TiMo系合金，是目前研究的重点和热点。

本文所选用的文献来自中国专利数据库（CNPAT）的40件以及EPODOC数据库的186件涉及医用钛合金成分的专利申请。

1　医用钛合金成分发展过程

钛及钛合金的发展阶段可分为三阶段。第一阶段是α型钛合金，以纯钛和Ti-6Al-4V合金为代表。第二阶段是α＋β型钛合金，以Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb为代表。前两阶段医用钛合金弹性模量高于骨的弹性模量，容易造成植入材料与人体骨界面上力学性能的不匹配。第三阶段钛合金为新型β型钛合金，具有更好生物相容性和更低弹性模量，具有生物相容性好的无毒元素，例如：Nb、Zr、Ta、Sn、Pt、Mo等。新型β型钛合金主要有Ti-Nb系、Ti-Zr系Ti-Mo系、和Ti-Ta系合金[1]。图1为钛合金成分分布图，从图中可以看出，Ti-Nb系和TiMo系医用钛合金是研究的热点和重点，分别占所选用文献量的43%和18%。

2　医用钛合金中添加元素的作用

专利文献CN10158090A中提出了钛常温下为密排六方晶格，冷加工容易出现加工硬化现象，而在882℃以上，密排六方晶格的α相钛转变为体心立方晶格的β相钛，延伸性能出现很大提高。钛合金如果能保持β相，便有很大的塑性变形能力。

实际应用中常加入一些无毒的合金元素来改善医用钛合金各方面的性能。在医用钛合金中常用添加元素及其在医用钛合金中所起的作用如下：Nb是β同晶元素，能与β钛无限互溶，有利于钛合金保持β相的存在，改善钛合金的冷加工性能，降低钛基合金的弹性模量。Mo也是β同晶元素，能与β钛无限互溶。Zr有利于钛合金保持β相，改善钛基合金的冷加工性能。Ta为β同晶元素，钛的稳定元素。Al在钛合金中是一种化合物形成元素，可使钛合金发生马氏体相变，能使合金更加具有超弹性性能和形状记忆性能。Fe能控制钛合金的马氏体相变温度，可促进室温下亚稳态的β相的形成。Ce能减少杂质的有害影响，改变夹杂物的形态和分布，提高抗腐蚀、焊接性能、抗氧化性能、相变超弹性、冷加工性和形状记忆性能等作用。P、Ca能提高医用钛合金的生物相容性。

3　医用钛合金元素添加率分析

从图2中可以看出，在医用钛合金中添加Nb元素是最多的，其添加率（添加Nb元素的申请量与医用钛合金合金成分申请总量的比值百分数）为50%，其次是Zr（37.6%）、Al（27.4%）、Mo（24.3%）、Ta（21.7%）、Fe（15.5%）、V（15.0%）、O（12.8%）、C（10.6%）、N（8.4%）、Si（8.4%）、Cr（8.4%）、Mn（7.5%）、Co（6.6%）、Hf（4.0%）、Ge（3.5%）、W（2.7%）、In（2.2%）、Cu（2.2%）、Y（2.2%）、Au（2.2%）、Mg（1.3%）、Ca（0.9%）、P（0.9%）。

4　医用钛合金添加元素在元素周期表中的分布

由图3可以看出，医用钛合金中添加成分主要集中在过渡族元素Nb、Mo、Zr、V、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Ta、W、Hf，非金属元素C、N、O、Si、P、S也有少量添加，以Ce、Y为代表的稀土金属也有微量添加；其余分布较分散的Mg、Ca 、Ge、In、Au、Pd也有部分添加。图3不仅给出了添加元素的分布情况，还给出了现有专利技术中各种添加元素的上限值和下限值。通过图3能快速直观地了解医用钛合金成分目前的发展状态，其常用添加元素及其元素添加量范围，对医用钛合金成分的了解和进一步研究具有一定的指导意义。

5　结论

医用钛合金通常分为Ti-Nb系、Ti-Mo系、Ti-Zr系、Ti-Ta系和Ti-Al系列。医用钛合金中添加成分主要集中在过渡族元素Nb、Mo、Zr、V、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Ta、W、Hf，非金属元素C、N、O、Si、P、S也有少量添加，稀土金属也有微量添加。在医用钛合金中添加Nb元素是最多的，其添加率为50%。通过钛合金添加元素在元素周期表中分布图能快速直观地了解医用钛合金成分目前的发展状态，其常用添加元素及其元素添加量范围，对医用钛合金成分的了解和进一步研究具有一定的指导意义。

参考文献

[1]高智芳，万怡灶.生物医用超弹性β型钛合金研究现状[J].材料导报，2011，25（3）：79-83.

中图分类号C18

文献标识码A

文章编号1674-6708（2015）139-0138-01