医用钛合金的研究现状及发展

许标 姜云海 朱渊

摘 要：医用金属材料又称外科植入金属材料，是最早进行临床应用的生物医用材料，目前在临床中的应用仍最为广泛。医用金属材料主要用作对骨骼、关节、牙齿以及血管等修复的材料使用[l]。临床使用最早的金属材料是有一定抗腐蚀性的不锈钢，主要使用316L奥氏体不锈钢。

关键词：医用钛合金 表面改性 生物相容性

中图分类号：TB331 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）02（c）-0201-03

医用金属材料又称外科植入金属材料，是最早进行临床应用的生物医用材料，目前在临床中的应用仍最为广泛。医用金属材料主要用作对骨骼、关节、牙齿以及血管等修复的材料使用[1]。临床使用最早的金属材料是有一定抗腐蚀性的不锈钢，主要使用316L奥氏体不锈钢。随后在生物环境中具有更好的抗腐蚀性、组织反应也较小的Co-Cr合金也成为了主要的医用金属材料。虽然使用中不断发现Co-Cr合金的毒性等缺点，但是由于于Co-Cr等系列合金的高度成熟以及鈦合金加工上的难度高等因素，致使钛合金开发及应用相较其他合金落后了，直到20世纪60年代Branemark把钛合金作为口腔种植体应用后，钛及其合金作为外科植入材料才得到了广泛应用[2，3]。近年来钛合金以其与骨更近似的弹性模量、良好的生物相容性及生物环境下优良的抗腐蚀性在临床上的应用越来越广泛， Co-Cr合金及不锈钢在临床应用上的主导地位已逐步被取代[4]。

1 医用钛合金的发展

20世纪中叶以来，钛及其合金的开发应用经历了三个阶段，第一阶段以纯钛和Ti-6A1-4V为代表（即传统的α钛合金），第二阶段则是以T1-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb为代表的新型的α+β型合金，第三个阶段则是正在进行的以开发研制生物相容性更好、弹性模量更低的β型和近β型钛合金为方向的时代，其中以β型钛合金的研究开发最为广泛[5-6]。

纯钛和Ti-6Al-4V是在临床最早应用的钛合金的代表。纯钛在生理环境下抗腐蚀性能良好，但因其强度较低、耐磨损性能较差，而限制了它在承载较大部位的应用，目前主要于承载较小部分如口腔修复等用作骨替换。相比之下，设计开发Ti-6Al-4V的最初目的是航天应用，它有强度较高、加工性能良好的特点，20世纪70年代开始在髋关节，膝关节等外科修复科目开始用于临床，随后被广泛采用，但它耐蚀性不好，偏高的弹性模量也容易引起“应力屏蔽”效应导致手术失败。同时，临床上开始应用与Ti-6Al-4V相类似的Ti3-A1-2.5V作为股骨及胫骨的替换材料[5-6]。此类合金的应用在当时极大的促进了外科学发展，但这类合金使用的两种元素V和Al都是有毒。V的毒性甚至超过Cr和Ni，植入时间长后会聚集在各个器官，能够诱发癌症。而Al元素以铝盐形式在体内的积蓄而导致器官的损伤，可引起神经紊乱、贫血和骨软化等症[5]，此外Al元素还被认为与老年性痴呆症有关。

为了避免V元素的潜在毒性，经过几十年的探索和发展，20世纪80年代中期瑞士SULZER开发了Ti-6Al-7Nb[7]，德国也开发出了Ti-5Al-2.5Fe[8]，欧洲开发的这两种钛合金中的合金元素Nb和Fe都是无毒的，和Ti-6Al-4V相比较综合性能表现良好。此类合金中虽然以Nb和Fe取代了毒性元素V，但Al元素仍然未被取代，另外，这两种合金的弹性模量虽有所下降但仍为骨的4～10倍，还不能完全避免由于“应力屏蔽”导致种植体周围的骨吸收，这会引起种植体松动以及断裂，最终造成种植失败[9，10]。因此，开发低弹性模量的新型无毒医用钛合金，以适应临床上对种植材料的要求，已成为生物医学金属材料开发的重点。

针对以上问题，20世纪90年代以来美日等国等开发了多型新型医用β型钛合金。研制这类合金的途径主要是通过添加具有生物特性的被称为稳定β生物元素（Nb、Mo、Ta、Sn等）的元素形成稳定的合金。已经发展出了Ti-Nb系、Ti-Mo系、Ti-Zr系、Ti-Nb-Hf系、Ti-Nb-Zr系等系列，相比其他合金，这类合金除具有其他合金同样优异的综合性能外，重要的是其具有更低的弹性模量具有更好的力学适应性。

到目前，钛及其合金在各种生物材料的移植和修复，以及作为移植材料的定位和零部件等方面都得到广泛的应用。

2 钛的生物相容性

医用材料不但要求力学特性和生物化学特性良好，还必须具有极好的生物相容性，即植入材料与人体界面之间不会产生包括血液、组织和免疫反应等在内的有害反应。由于钛合金表面存在着TiO2氧化层，而TiO2氧化层具有水中溶解度很低、固有毒性低、与生物分子的反应活性不高而近于化学惰性、抗炎作用显著等特点[11]，因此就生物相容性而言纯钛及其合金是比较出色的。

人的体液中含有水和各种有机、无机离子等成分，正常体液pH值为7.4，这样的环境下腐蚀性是极高的：组织中含盐的电解质具有增进电化学机制的腐蚀与水解的能力；其中的有机分子及细胞能促进化学反应并有迅速破坏外来成分的能力[12]。

金属毒性的主要取决于元素固有的毒性及其与大分子结合的能力、剂量大小等几个因素。由于钛的氨氧化物溶解常数低，惰性较大。另外，TiO2在水溶液中呈现出弱酸性，钛生物分子络合物的反应很难发生，即TiO2和生物分子间的反应活性不高。

TiO2的介电常数较高也被认为是钛组织反应较小的的一个原因，在室温下TiO2在所有三种存在形式（板钛矿、锐钛矿和金红石）下的介电常数均较大，和水的介电常数接近，这说明在组织液中钛因极化产生的静电力不大。当表面与水的介电常数相差较小时，蛋白质分子就不会由于极化作用产生的定向静电力的作用向种植体表面靠拢。因此，在生理环境下钛合金种植体表面吸附蛋白质分子的概率较低。

在炎性阶段，自由基和H2O2等强氧化剂由活性白细胞释放出，随后与钛的TiO2氧化层发生反应，促进钛氧化层溶解，同时也增加了氧化层厚度[11-13]。体外实验也显示，经过H2O2处理的钛合金表面虽然钛氧化层的溶解速度增加了，但仍能长期保持较低的碳反应活性，碳反应活性低也就表示它的炎性作用低。

3 医用纯钛及其合金的表面改性

由于当前还没有一种材料能完全满足临床上的各种要求，因此，对材料的表面性质加以改变以适应生物环境的需要就显得非常重要，它对细胞黏附、增殖、分化等一系列反应都会有影响。表面改性是一种通过只改变材料的表面性质但对材料整体不产生影响的方法，表面改性根据被改变的表面的性质可分为三类：表面形态改性、物理化学改性和生物改性[14-16]。经过改性后的材料表面生物相容性、抗腐蚀性、耐磨性等会更好，表现出“生物惰性”或者“生物活性”。

对生物医用钛合金表面进行改性的方法有很多，目前主要采用的有以下几种。

（1）激光熔覆法。

等离子喷涂方法是目前应用最广泛的一种表面改性技术，该方法有很多优点，但它有个致命弱点就是涂层和基体结合的强度不够大。而且该方法在涂层制备和界面强化处理时必须分步进行，这增加了成本，并造成涂层性能改变，效率受到影响。

（2）离子注入表面改性。

該技术作为生物医用材料表面改性的一个新方法，目前主要应用于高分子以及金属材科表面的改性上。用该方法进行表面改性对改善金属生物材料的耐腐蚀性、耐磨损性、耐疲劳性效果显著。该方法的特点通过在基体材料表面一定深度精确注入预定剂量的高能离子，从而显著改变材料表面的相结构、化学组分和组织，让植入体与生物组织相互作用发生改变。

（3）化学气相沉积（CVD）。

化学气相沉积首先让挥发性的含有构成薄膜元素的化合物与其他气相物质发生化学反应，让产生的固态物质以原子态沉枳于放在恰当位置的基底上面，就形成了所需要的材料。氮化钛陶瓷或碳化钛陶瓷薄层在金属材料表面生成就是利用化学气相沉积法的成果，这也使得金属材料的表面耐蚀性和生物相容性大大改善、硬度大大增强。但化学气相沉积法一般需要在900 ℃～2000 ℃的条件下进行，其反应温度超过了大多数金属材料的熔点，这极大的限制了它在生物医学金属材料表面改性中的应用。随后发展改进的等离子体化学气相沉积（PCVD）能实现CVD在低温下进行。同时PCVD还大大降低了因基体和薄膜热膨胀系数不匹配而产生的内应力，所以应用越来越广泛。

（4）溅射。

溅射镀膜也是改进材料表面性能的一个有效方法，属于物理气相沉积（PVD）法的一种，它利用真空室中的低压气体放电生成高能的正离子去轰击阴极，被轰击出的粒子在基片上沉积形成硬质薄膜。我们通常说的溅射指的是二级溅射，又被称为阴极溅射。后来在此基础上又发展了三级溅射、四级溅射、射频溅射等，但都因为它们的各种缺点限制了这些溅射技术在生物材料改性中广泛应用。直到20世纪70年代发展了磁控溅射技术，这种技术将磁控技术和二级溅射技术有机结合起来，使得二级溅射的“低速高温”的缺点得以克服，其沉积速度也较二极溅射提高了一个数量级以上，自此溅射技术的应用才迎来了新的发展机会。

（5）电化学沉积法。

电化学沉积法就是用电化学的方法调节电解液的浓度、pH值、反应温度、电场强度、电流等来控制化学反应的制备方法，也是常用的表面改性技术。

（6）微弧氧化。

微弧氧化的特点是在有色金属表面原位生长陶瓷薄膜。这种技术采用较高的工作电压，从而把工作区由阳极氧化法的法拉第区引入到了高压放电区，它利用了微弧区的瞬间高温烧结作用，因此又被称为微等离子体氧化或阳极火花沉积，采用该技术在合金表面生成一层致密的氧化物陶瓷保护薄膜的厚度可控、与衬底结合力强、尺寸变化小，合金耐磨性、绝缘性、耐腐性、抗热冲击性都得以大大提高。其出发点与其它陶瓷膜制备技术完全不相同，理论以及技术上都取得了突破，应用前景十分看好[17]。

（7）等离子喷涂。

等离子喷涂技术是用温度高达10000 ℃以上的高温等离子火焰将粉状待喷物料瞬间高速喷涂在冷态衬底上生成约0.05～0.1 mm的薄膜涂层。钛及其合金的涂层一般采用生物相容性良好的羟基磷灰石做涂料。但这种方法由于涂层与基体之间以物理作用为主，结合力不够大，空隙较多，涂层的使用效能欠佳。于是近年来又发展了用于等离子喷涂的后续真空热处理技术，能在界面处形成化学键，涂层结合度得到增强。

虽然等离子喷涂技术有诸多弊端，但它仍是目前应用最广泛的表面改性方法，随着梯度等离子喷涂技术及后续热处理技术等新技术的发展，等离子喷涂技术也会更加完善。

（8）烧结法。

烧结涂层采用类似于烧结与涂搪的方法，在衬底上涂上厚约0.2～0.35 mm的陶瓷或者玻璃表面层。该技术保留了等离子喷涂技术的诸多优点，同时避免了其缺陷，实现了涂层组成的梯度变化，从而使其生物学和机械力学等性能也梯度变化，涂层结合强度高，综合性能大为改善。

4 结论

虽然钛合金在医学上的应用有巨大的优势，但目前其用量不高，一方面由于高昂的价格妨碍了其大规模推广应用，另外，目前正在使用的钛合金还具有弹性模量偏高、表面活性差、耐磨性和耐蚀性差等各不相同的缺点，这些都直接影响到材料的生物相容性，因此，开发综合性能更好的新型钛合金，或者通过表面改性提高其性能就成为生物医用钛合金今后的重点研发方向。

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