隨著醫療器械行業的快速發展，人們對骨接板、牙種植體和人工關節等硬組織修復替代材料的需求越來越大。相比于不銹鋼和Co-Cr合金，鈦及鈦合金具有高比強度、低彈性模量、優異的耐腐蝕性和生物相容性等優點，在臨床上得到了廣泛應用。以Ti-Nb基合金為代表的亞穩β型鈦合金具有優異的生物相容性、低彈性模量以及超彈性和形狀記憶等功能特性，已成為新一代醫用金屬材料的重點發展方向。

圖1  醫用鈦合金的典型應用場景

　　01、醫用鈦合金的發展概況

　　生物醫用鈦合金的發展歷經三代，目的是不斷降低彈性模量和提高生物相容性。第一代是純鈦和Ti-6Al-4V（質量分數，下同），是目前用量最大的醫用鈦合金。然而，其高模量（110 GPa）和Al，V元素引起人們對“應力屏蔽”效應和阿茲海默癥、神經紊亂和骨軟化等癥狀的擔憂。德國和瑞士在20世紀80年代分別開發了專為生物醫療應用設計的第二代α+β型Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb合金。自20世紀90年代開始，世界各國相繼研發了具有更低模量（低至50 GPa）的第三代生物友好β型鈦合金，如美國的Ti-13Nb-13Zr，Ti-12Mo-6Zr-2Fe（TMZF）和Ti-35Nb-7Zr-5Ta（T-Osteum），日本的Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr（TNTZ）和Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr-1.2O（原子分數/%，Gum metal），中國的Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn（Ti-2448），TLE（Ti-(3-6)Zr-(2-4)Mo-(24-27)Nb）與TLM（Ti-(1.5-4.5)Zr-(0.5-5.5)Sn-(1.5-4.4)Mo-(23.5-26.5)Nb等。新一代醫用鈦合金多為添加生物友好元素的Ti-Nb體系，通過合金成分設計和微觀組織調控可獲得優異的生物相容性、低彈性模量、高強度、超彈性和形狀記憶效應等特性。

　　02、Ti-Nb基醫用鈦合金的研究進展

　　適量的Nb元素加入可以將鈦合金BCC結構β相穩定至室溫，抑制亞穩相ω，α?和α?馬氏體的形成，獲得低彈性模量。但Ti-Nb二元合金強度低（圖3（a）），需用Zr，Sn，Ta，O等生物友好元素添加，并基于鉬當量、d-電子合金設計法和平均價電子濃度法等半經驗法進行合金成分設計，以提高強度和進一步降低模量。基于這些設計方法，人們對Ti-Nb系鈦合金的合金化原理、組織與性能的關系開展了大量研究，并由此開發了一些低模量鈦合金，如表1所示。合金化元素的主要作用為替代Nb降低Ms（圖2），抑制亞穩相析出獲得低模量，產生固溶強化提高強度，以及改善超彈性和形狀記憶效應等。需要注意的是，Nb，Zr，Sn，O等多組元間的交互作用對相穩定性和彈性模量產生復雜影響，采用d-電子理論和平均價電子濃度法設計合金成分會與預期出現偏差，且不能預測合金的強度。在進行合金成分設計時，應充分考慮多組元間的交互作用和Zr，Sn，O的β相穩定作用，綜合利用各種手段。

　　表1 醫用Ti-Nb基合金的組織類型及力學性能

圖2  合金元素M對Ti-M二元合金和Ti-Nb-M三元合金的Ms的影響

　　較多的研究指出，間隙元素O是獲得低模量高強度醫用鈦合金的理想合金化元素，O添加可使Ti-Nb二元合金獲得優異的低模量和高強度匹配。最近的研究發現，Ti-38Nb-0.5O單相β鈦合金采用傳統的形變熱處理就可獲得與橡膠金屬相近的強度、塑性和超彈性性能，其典型拉伸曲線如圖3(b)所示，合金的屈服強度、彈性模量和超彈性分別為1141 MPa，52 GPa和2.2%。分析認為，氧元素對Ti-Nb-O合金相結構穩定性、彈性模量、強度和塑性的影響與Nb含量（即β相結構穩定性）密切相關，只有當Nb含量達到一定程度時才表現出β穩定性作用。

圖3 Ti-Nb二元合金的拉伸應力-應變曲線（a）以及Gum metal與Ti-38Nb-0.5O的拉伸性能對比（b）

　　03、醫用鈦合金的制備技術

　　亞穩β鈦合金的制備工藝是影響其彈性模量和強度的關鍵因素，人們對鈦合金的制備工藝進行了大量研究。其中，形變熱處理技術是經濟且有效的調控醫用鈦合金組織性能的手段。由于對低模量的要求，醫用鈦合金一般采用冷/熱加工后β固溶淬火的形變熱處理技術獲得單一β相，盡可能避免析出高模量的α和ω相，但低的β相穩定性容易導致低屈服強度。然而，本研究團隊基于電子理論進行合金成分設計和β基體穩定性進行組織調控，通過α+β兩相區形變熱處理析出33.7%的超細等軸α調控剩余β基體穩定性，利用低穩定性的β基體提供低模量和超細等軸α相提供強化，亦可在α+β雙相Ti-15Nb-5Zr-4Sn-1Fe合金中獲得優于β單相合金的低模量和高強度匹配，其彈性模量和屈服強度分別為61 GPa和912 MPa。進一步研究形變熱處理調控β穩定性和α的析出、形貌、數量和分布等，是制備低彈性模量、高強度Ti-Nb基醫用鈦合金的研究方向之一。

　　此外，研究人員還對大塑性變形晶粒細化技術制備超細/納米晶合金、表面納米化技術與表面改性技術提高鈦合金的表面活性、耐磨性與耐蝕性、多孔化技術降低模量和增材制造等制備技術對醫用鈦合金進行組織性能調控，以提高其綜合性能。

　　04、結束語

　　提高生物相容性和力學相容性是發展新一代醫用鈦合金的重要目標。目前亞穩β型醫用鈦合金的應用量仍極少，進一步降低β鈦合金的彈性模量，提高強度、疲勞性能和功能特性等綜合性能是擴大其應用的關鍵。建議可以從以下方面進行深入研究：（1）深入研究多元合金中元素之間的交互作用機理及其對相結構穩定性、彈性模量和強韌性的影響機制，明確Zr,Sn和O等元素的β穩定作用及其與其他合金元素的交互作用機制；（2）開展兼具高強度和低模量的鈦合金設計與制備技術研究，研究β單相和α+β雙相鈦合金的微觀組織特征對彈性模量、屈服強度、耐磨性能和疲勞性能等綜合力學性能的影響，揭示不同的相含量和相結構穩定性耦合下鈦合金的微觀力學機制；（3）探索基于大塑性變形、增材制造等工藝特點的合金成分設計方法和制備技術，研究不同工藝條件下亞穩β鈦合金的組織演變及其對力學性能和功能特性的影響機制，開發綜合性能優異的醫用亞穩β鈦合金及其醫療器械。