純鈦和Ti-6Al-4V是在臨床最早應(yīng)用的鈦及鈦合金，也是第一代生物醫(yī)用鈦合金。上世紀(jì)40年代初期，純鈦被引入到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是60年代純鈦用于口腔種植體后，作為醫(yī)用材料得到了快速發(fā)展。Ti-6Al-4V鈦合金是生產(chǎn)、應(yīng)用最為廣泛的鈦合金，具有有強(qiáng)度較高、加工性能良好等特點(diǎn)，上世紀(jì)70年代開(kāi)始用于髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)等強(qiáng)度、耐磨性要求較高的部位。
純鈦和Ti-6Al-4V是在臨床最早應(yīng)用的鈦及鈦合金，也是第一代生物醫(yī)用鈦合金。上世紀(jì)40年代初期，純鈦被引入到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是60年代純鈦用于口腔種植體后，作為醫(yī)用材料得到了快速發(fā)展[2]。Ti-6Al-4V鈦合金是生產(chǎn)、應(yīng)用最為廣泛的鈦合金，具有有強(qiáng)度較高、加工性能良好等特點(diǎn)[3]，上世紀(jì)70年代開(kāi)始用于髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)等強(qiáng)度、耐磨性要求較高的部位。
隨著研究與應(yīng)用的不斷深入，大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)證實(shí)Ｖ元素對(duì)人體具有毒副作用。從上世紀(jì)80年代起，各國(guó)進(jìn)一步研制了Ti-6Al-7Nb、Ti-5Al-2.5Fe等不含V元素的第二代生物醫(yī)用鈦合金[4]。但是以上合金中Al元素仍然未被取代，多項(xiàng)研究表明Al作為慢性蓄積性神經(jīng)毒物，是誘發(fā)阿爾茲海默癥的重要因素。同時(shí)雖然第一、二代醫(yī)用鈦合金的彈性模量（約100GPa）大幅度低于不銹鋼（190GPa），但仍為骨彈性模量（10~30GPa）的4～10倍，仍會(huì)引起“應(yīng)力屏蔽”，導(dǎo)致種植體周圍的骨吸收和松動(dòng)，嚴(yán)重影響遠(yuǎn)期植入效果。
美國(guó)和日本最先開(kāi)始第三代醫(yī)用β型鈦合金的研制，主要手段是添加Nb、Mo、Ta、Sn等β穩(wěn)定、生物相容性良好的元素[5]。1994年第一個(gè)新型低模量化β型醫(yī)用鈦合金Ti-13Nb-13Zr被正式列入國(guó)際醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn)，隨后美國(guó)又開(kāi)發(fā)出Ti-12Mo-6Zr-2Fe亞穩(wěn)定β型鈦合金，2000年被全球最大的骨科專業(yè)集團(tuán)下屬的Strker公司用來(lái)制造髖關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)的股骨柄，并在中國(guó)得到臨床應(yīng)用。此外，日本也開(kāi)發(fā)了Ti-29Nb-13Ta-5Zr等無(wú)毒低模量鈦合金[6]，我國(guó)中科院金屬所郝玉琳研究員研發(fā)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出新型低模量化β型醫(yī)用鈦合金Ti2448[7]，等等。
通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)β穩(wěn)定元素的含量，熱機(jī)械加工控制合金的組織及β相穩(wěn)定性，可以在較寬的范圍內(nèi)調(diào)控鈦合金的彈性模量、強(qiáng)度等關(guān)鍵使用性能。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)Mo量、Kβ穩(wěn)定系數(shù)、d-電子合金理論、平均電子濃度e/a、第一性原理和分子軌道理論等方法進(jìn)行合金成分設(shè)計(jì)和組織性能的預(yù)測(cè)，先后開(kāi)發(fā)了近百種低模量鈦合金，合金設(shè)計(jì)從二元系到六元系，涉及合金元素近20個(gè)[8]。根據(jù)主要添加元素的不同，可分為Ti-Mo基、Ti-Nb基、Ti-Ta基、Ti-Zr基等。以上低模量鈦合金由于無(wú)毒、易鈍化耐腐蝕元素的加入，一般具有良好的耐腐蝕性和生物安全性。彈性模量方面，通過(guò)調(diào)控合金元素和熱處理制度，彈性模量可在35GPa~110GPa之間調(diào)控。如Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金通過(guò)固溶時(shí)效處理，彈性模量可降低至55GPa；在Ti-Zr體系中引入元素Mo和Mn，通過(guò)其協(xié)同作用穩(wěn)定Ti-Zr合金中的β相，彈性模量可降低至35.1~39.1GPa，與人體骨組織基本匹配[10]；亞穩(wěn)β型Ti-33Nb-4Sn合金通過(guò)熱機(jī)械處理，可實(shí)現(xiàn)超低彈性模量（36GPa）和高強(qiáng)度（853MPa）的良好匹配，在硬組織修復(fù)中具有較大應(yīng)用前景[11]。
功能化是新型醫(yī)用鈦合金的又一重要發(fā)展方向，其中以抗菌鈦合金的研究較為深入。鈦合金作為一類生物惰性材料，自身不具備抗菌或抑菌性能，當(dāng)植入人體過(guò)程中可能帶入有害細(xì)菌而引發(fā)感染，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致植入失敗。在鈦合金中適量加入Cu、Ag等合金元素，可使鈦合金在保證其基本力學(xué)性能的同時(shí)，具有一定的抑菌功效。如TiNiAg合金經(jīng)固溶時(shí)效處理后，對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌表現(xiàn)出明顯的抑菌性能，同時(shí)仍保持良好的形狀記憶效應(yīng)和生物相容性[12]。此外，中科院金屬所的楊柯等人開(kāi)發(fā)了一系列含銅的醫(yī)用鈦合金[13]，當(dāng)銅含量達(dá)到合金占比5%以上時(shí)，釋放出的銅離子才能獲得對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌足夠、穩(wěn)定的抗菌性能[14]，且銅離子累計(jì)釋放濃度遠(yuǎn)低于WHO推薦的人體每天銅攝入量，因此認(rèn)為Ti-5Cu具有良好的生物相容性。Liu等[15]也認(rèn)為Ti-5Cu合金能夠?qū)崿F(xiàn)力學(xué)性能、生物相容性、抗菌性能等綜合性能的最優(yōu)匹配，可通過(guò)殺滅細(xì)菌、抑制細(xì)菌黏附明顯抑制高密度細(xì)菌產(chǎn)生的細(xì)菌生物膜厚度。此外，通過(guò)大變形量加工，還可以獲得蜂窩形態(tài)的納米結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升Ti-Cu系合金的力學(xué)性能[16]。
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