【關鍵詞】α-β鈦合金 超晶結(jié)構(gòu) α相 商用純鈦合金
隨著人口持續(xù)老齡化，對生物醫(yī)療器械所使用材料的要求日益增加。據(jù)估計，美國2030年進行髖關節(jié)置換人數(shù)將達到27200人/年，和2000年比將增加15200人/年，其中12.8%主要是對已植入髖關節(jié)進行修復。金屬材料被應用在髖關節(jié)置換或其他關節(jié)置換手術中，例如膝關節(jié)、肩關節(jié)等。金屬醫(yī)用材料還可應用在脊柱或創(chuàng)傷固定、血管支架及椎間盤置換等。廣泛使用的金屬材料包括不銹鋼，Co?Cr?Mo合金，Ti合金及其他特殊合金如Au?Pd合金，這些合金具有較低的彈性模量，出色的抗腐蝕性能及較好的生物相容性等優(yōu)點。彈性模量在硬組織置換中是一個很重要的因素，正常骨和硬組織植入物間不同的彈性模量會產(chǎn)生壓力屏蔽作用，使正常骨被重吸收或植入物松弛，大多數(shù)病人都需要再次手術進行矯正。另外一個普遍關注的問題是骨頭壞死，是由于關節(jié)陷窩與相連接部件作用產(chǎn)生磨削而引起的，這些磨削會遷移到骨干表面，附著在正常骨上從而引起骨細胞的死亡。鈦的研究主要集中在能夠在生物醫(yī)學方面長期使用的增強型鈦合金，如之前被應用在航空航天領域的商用純鈦合金及Ti?6Al?4V。
一、商用純鈦合金
商用純鈦合金很早被應用在生物醫(yī)療器械中，如血管支架，創(chuàng)傷或脊柱固定器件等。Fe元素含量很低的情況下，植入物和人體之間基本上不產(chǎn)生不良反應。商用純鈦雖然有以上優(yōu)勢，但是作為硬組織植入物，其機械強度還達不到人體要求。對機械強度的要求使得越來越多的4級商用純鈦合金被應用在生物器件中，通過提高氧元素的含量，其機械強度超過了2級商用純鈦。
R.Z. Valiev等研究報道了一種增強的純鈦合金，通過等通道轉(zhuǎn)角擠壓技術（equal channel angular pressing，ECAP）和其他的變形處理加工過程，使得2級商用純鈦合金的強度提高。實驗測試了三種狀態(tài)下純鈦的強度：400℃下ECAP（8遍）（#1），ECAP+65%冷壓延（#2）及ECAP+壓延之后300℃退火處理（#3）。超晶（Ultra-fine Grained， UFG）結(jié)構(gòu)中既有等軸微結(jié)構(gòu)存在，也有具有明顯邊界的亞晶粒結(jié)構(gòu)存在。較之原本的粗糙晶粒的商用純鈦，經(jīng)過劇烈形變后的商用純鈦的顯微硬度有明顯的提高。與粗晶鈦比較，加工后商用純鈦的最大拉伸強度可提高140%，但延展率會下降9%。
通過第三種方法處理的2級超晶商用純鈦的疲勞極限為500MPa，較之粗晶鈦其疲勞極限提高了100%。另外，疲勞范圍內(nèi)低循環(huán)或高循環(huán)下的超晶鈦比粗晶鈦具有更高的疲勞強度。
C. Yao等通過#2處理制備出超晶結(jié)構(gòu)鈦，體外實驗發(fā)現(xiàn)超晶結(jié)構(gòu)能夠影響鈦植入物表面細胞的功能。雖然細胞在超晶鈦上吸附機制還在進一步研究中，但較早一些研究中，例如通過粉末冶金技術制備出納米晶粒金屬，和細胞共培養(yǎng)后，晶粒邊界處成骨細胞吸附量增多，所以人們越來越強調(diào)晶粒邊界的作用。
摩擦作用的研究中，表明在商用純鈦中，超晶結(jié)構(gòu)叫粗晶結(jié)構(gòu)就有更好的摩擦學行為。但是對于摩擦耦合的長期反應情況還不是很清楚。
二、α-β鈦合金
生物醫(yī)用的商用純鈦機械性能遠遠低于全關節(jié)置換的要求，使得Ti?6Al?4V被廣泛使用，成為生物醫(yī)學器件中應用最多的鈦合金。另外在Ti?6Al?4V的正常加工和處理過程中，常常采用不同的鈮來替代Ti?6Al?4V合金中的釩，從而可以更好的模擬Ti?6Al?4V中α和β相的比例，所以對含釩材料生物反應的關注導致Ti?6Al?7Nb合金的發(fā)展和應用。對低模量α-β鈦合金的研究致使Ti?13Nb?13Zr合金發(fā)展，它的強度系數(shù)可以和Ti?6Al?4V相媲美。
等軸α微結(jié)構(gòu)合金具有較高的強度和延展性，具有較低的斷裂強度；片層狀結(jié)構(gòu)具有較好的斷裂強度，適中的強度和延展性。通過微結(jié)構(gòu)的調(diào)控可以改善Ti ?6Al ?4V合金在高循環(huán)下的疲勞響應性能。
通過對體內(nèi)細胞功能的研究，超晶Ti?6Al?4V合金被證實對成骨細胞吸附有促進作用。Ti?6Al?4V合金中存在α和β兩相，α和β相晶粒的大小、均一性和分散性（主要是β相），以及合金內(nèi)部α和β相晶粒的大小都會影響Ti?6Al?4V合金結(jié)構(gòu)。退火溫度對Ti?6Al?4V合金硬度的影響，表明在合金整體微米硬度不受影響的情況下，較低的退火溫度對α和β相分布有較大的影響。
與常規(guī)晶粒合金相比，超晶合金具有較好的機械和生物響應性能。另外含有生物相容合金元素（如Nb， Zr， Ta等）的鈦合金通過不同的加工處理過程，可以形成具有超晶結(jié)構(gòu)的鈦合金，使得生物性和機械性能大大提高，不過這方面研究正在進一步的研究和開發(fā)中。
三、結(jié)論
文章介紹了鈦合金材料在生物醫(yī)學領域應用的一些基本的合成方法，鈦合金以及生物醫(yī)學領域的進一步研究和發(fā)展將進一步推動新型材料和新技術的產(chǎn)生，使得病人的生活質(zhì)量得以改善，另外要想在未來的研究中取得更大的進展，需要不同領域的專家，包括材料、生物力學以及細胞生物學方面的研究人員的通力合作。
參考文獻：
[1]M.Long，H.J.Rack，Biomaterials1998；19：1621.
[2]D.R. Sumner， J.O. Galante， Clin. Orthop. Relat. Res. 1992；274： 202.
[3] Valiev， V.V. Stolyarov， H.J. Rack， T.C. Lowe， in： S. Shrivastava（Ed.）， Medical Device Materials， ASM， Cleveland， OH， 2004. p. 362.
[4]C. Yao， J.I. Qazi， H.J. Rack， E.B. Slamovich， T.J. Webster， Improved bone cell adhesion on ultrafine grained titanium and Ti? 6Al? 4V，Ceramic Nanomaterials and Nanotechnology III，106th Acers Transactions，2004.p.159.
[5]A.K.Mishra，H.A.Davidson，P.Kovacs，R.A.Poggie，in：D.Eylon，R.R.Boyer，D.A.Koss（Eds.），Beta Titanium in the 1990s，TMS，Warrendale，PA，1993，p.61.
[6]G.W.Kuhlman，in：Y.-W.Kim，R.R.Boyer（Eds.），Microstructure/Property Relationships in Titanium Aluminides and Alloys，TMS Warrendale，PA，1991， p.465.
[7]R.I.Jaffee，G.Lutjering，in：A.K.Chakrabarti，J.C.Chestnut （Eds.），Microstructure，F(xiàn)racture Toughness and Fatigue Crack Growth Rate in Titanium Alloys，TMS，Warrendale，PA，1987，p.193.