硬组织植入物用钛合金研究进展

纯钛和Ti-6Al-4V是在临床最早应用的钛及钛合金，也是第一代生物医用钛合金。上世纪40年代初期，纯钛被引入到生物医学领域，尤其是60年代纯钛用于口腔种植体后，作为医用材料得到了快速发展[2]。Ti-6Al-4V钛合金是生产、应用最为广泛的钛合金，具有有强度较高、加工性能良好等特点[3]，上世纪70年代开始用于髋关节、膝关节等强度、耐磨性要求较高的部位。

随着研究与应用的不断深入，大量实验和数据证实Ｖ元素对人体具有毒副作用。从上世纪80年代起，各国进一步研制了Ti-6Al-7Nb、Ti-5Al-2.5Fe等不含V元素的第二代生物医用钛合金[4]。但是以上合金中Al元素仍然未被取代，多项研究表明Al作为慢性蓄积性神经毒物，是诱发阿尔兹海默症的重要因素。同时虽然第一、二代医用钛合金的弹性模量（约100GPa）大幅度低于不锈钢（190GPa），但仍为骨弹性模量（10~30GPa）的4～10倍，仍会引起“应力屏蔽”，导致种植体周围的骨吸收和松动，严重影响远期植入效果。

美国和日本最先开始第三代医用β型钛合金的研制，主要手段是添加Nb、Mo、Ta、Sn等β稳定、生物相容性良好的元素[5]。1994年第一个新型低模量化β型医用钛合金Ti-13Nb-13Zr被正式列入国际医用标准，随后美国又开发出Ti-12Mo-6Zr-2Fe亚稳定β型钛合金，2000年被全球最大的骨科专业集团下属的Strker公司用来制造髋关节假体系统的股骨柄，并在中国得到临床应用。此外，日本也开发了Ti-29Nb-13Ta-5Zr等无毒低模量钛合金[6]，我国中科院金属所郝玉琳研究员研发团队研发出新型低模量化β型医用钛合金Ti2448[7]，等等。

通过优化设计β稳定元素的含量，热机械加工控制合金的组织及β相稳定性，可以在较宽的范围内调控钛合金的弹性模量、强度等关键使用性能。国内外学者通过Mo量、Kβ稳定系数、d-电子合金理论、平均电子浓度e/a、第一性原理和分子轨道理论等方法进行合金成分设计和组织性能的预测，先后开发了近百种低模量钛合金，合金设计从二元系到六元系，涉及合金元素近20个[8]。根据主要添加元素的不同，可分为Ti-Mo基、Ti-Nb基、Ti-Ta基、Ti-Zr基等。以上低模量钛合金由于无毒、易钝化耐腐蚀元素的加入，一般具有良好的耐腐蚀性和生物安全性。弹性模量方面，通过调控合金元素和热处理制度，弹性模量可在35GPa~110GPa之间调控。如Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金通过固溶时效处理，弹性模量可降低至55GPa；在Ti-Zr体系中引入元素Mo和Mn，通过其协同作用稳定Ti-Zr合金中的β相，弹性模量可降低至35.1~39.1GPa，与人体骨组织基本匹配[10]；亚稳β型Ti-33Nb-4Sn合金通过热机械处理，可实现超低弹性模量（36GPa）和高强度（853MPa）的良好匹配，在硬组织修复中具有较大应用前景[11]。

功能化是新型医用钛合金的又一重要发展方向，其中以抗菌钛合金的研究较为深入。钛合金作为一类生物惰性材料，自身不具备抗菌或抑菌性能，当植入人体过程中可能带入有害细菌而引发感染，严重时甚至导致植入失败。在钛合金中适量加入Cu、Ag等合金元素，可使钛合金在保证其基本力学性能的同时，具有一定的抑菌功效。如TiNiAg合金经固溶时效处理后，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌表现出明显的抑菌性能，同时仍保持良好的形状记忆效应和生物相容性[12]。此外，中科院金属所的杨柯等人开发了一系列含铜的医用钛合金[13]，当铜含量达到合金占比5%以上时，释放出的铜离子才能获得对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌足够、稳定的抗菌性能[14]，且铜离子累计释放浓度远低于WHO推荐的人体每天铜摄入量，因此认为Ti-5Cu具有良好的生物相容性。Liu等[15]也认为Ti-5Cu合金能够实现力学性能、生物相容性、抗菌性能等综合性能的最优匹配，可通过杀灭细菌、抑制细菌黏附明显抑制高密度细菌产生的细菌生物膜厚度。此外，通过大变形量加工，还可以获得蜂窝形态的纳米结构，进一步提升Ti-Cu系合金的力学性能[16]。

参考文献：

[1]   M. Geetha, A.K. Singh, R. Asokamani, et al. Ti based biomaterials, the ultimate choice for orthopaedic implants – A review[J]. Progress in Materials Science. 2009, 54: 397-425.

[2]   Shahar Shelly, Sigal Liraz Zaltsman, Ofir Ben-Gal, et al. Potential neurotoxicity of titanium implants: Prospective, in-vivo and in-vitro study. Biomaterials. 2021, 276: 121039.

[3]   Her-Hsiung Huang. Effect of fluoride and albumin concentration on the corrosion behavior of Ti–6Al–4V alloy. 2003, 24: 275-282.

[4]   I. Milošev, T. Kosec, H.-H. Strehblow. XPS and EIS study of the passive film formed on orthopaedic Ti–6Al–7Nb alloy in Hank's physiological solution. Electrochimica Acta. 2008, 53: 3547-3558.

[5]   Sertan Ozan, Jixing Lin, Weijie Weng, et al. Effect of thermomechanical treatment on the mechanical and microstructural evolution of a β-type Ti-40.7Zr–24.8Nb alloy. Bioactive Materials. 2019, 4: 303-311.

[6]   Mitsuo Niinomi, Toshikazu Akahori, Shigeki Katsura, et al. Mechanical characteristics and microstructure of drawn wire of Ti–29Nb–13Ta–4.6Zr for biomedical applications. Materials Science and Engineering: C. 2007, 27: 154-161.

[7]   Y.L. Hao, S.J. Li, S.Y. Sun, et al. Elastic deformation behaviour of Ti–24Nb–4Zr–7.9Sn for biomedical applications. Acta Biomaterialia. 2007, 3: 277-286.

[8]   E. Alabort, Y.T. Tang, D. Barba, et al. Alloys-by-design: A low-modulus titanium alloy for additively manufactured biomedical implants. Acta Materialia. 2022, 229: 117749.

[9]   Manmeet Kaur, K. Singh. Review on titanium and titanium based alloys as biomaterials for orthopaedic applications. Materials Science and Engineering: C. 2019, 102: 844-862.

[10] Hui Liu, Junjie Yang, Xueyang Zhao, et al. Microstructure, mechanical properties and corrosion behaviors of biomedical Ti-Zr-Mo-xMn alloys for dental application. Corrosion Science, 2019, 161: 108195.

[11] Shun Guo, Qingkun Meng, Xinqing Zhao, et al. Design and fabrication of a metastable β-type titanium alloy with ultralow elastic modulus and high strength. Scientific Reports. 2015, 5: 14688.

[12] Y.F. Zheng, B.B. Zhang , B.L. Wang, et al. Introduction of antibacterial function into biomedical TiNi shape memory alloy by the addition of element Ag. Acta Biomaterialia. 2011, 7: 2758-2767.

[13] Jie Liu , Fangbing Li, Cong Li, et al. Effect of Cu content on the antibacterial activity of titanium–copper sintered alloys. Materials Science and Engineering: C. 2014, 35: 392-400.

[14] L. Bolzoni, M. Alqattan, L. Peters, et al. Ternary Ti alloys functionalised with antibacterial activity. Scientific Reports. 2020, 10: 22201.

[15] Rui Liu, Yulong Tang, Lilan Zeng, et al. In vitro and in vivo studies of anti-bacterial copper-bearing titanium alloy for dental application. Dental Materials. 2018, 34: 1112-1126.

[16] Hai Wang, Wei Song, Mingfeng Liu, et al. Manufacture-friendly nanostructured metals stabilized by dual-phase honeycomb shell. Nature Communications. 2022, 13: 2034.