生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域用鈦合金材料性能的研究進(jìn)展

黨元曉，薛蓮，王曉寧

生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域用鈦合金材料性能的研究進(jìn)展

黨元曉，薛蓮，王曉寧

（昌吉學(xué)院 航空學(xué)院，新疆 昌吉 831100）

針對鈦合金材料在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行闡述，從生物相容性、力學(xué)性能兩方面回顧了近年來鈦合金材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，并展望了醫(yī)用鈦合金的發(fā)展方向與研究熱點(diǎn)。

生物醫(yī)學(xué)；鈦合金；生物相容性；力學(xué)性能

鈦合金在結(jié)構(gòu)金屬中占據(jù)相當(dāng)重要的地位，在多方面顯現(xiàn)出突出優(yōu)勢，擁有極高的生物相容性、抗腐蝕性、良好的力學(xué)性能，并且其密度相對較低、無毒副作用、成本低[1-2]，因而鈦合金在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，特別是在關(guān)節(jié)修復(fù)、口腔修復(fù)和骨髓修復(fù)等方面應(yīng)用普遍[3]。

本文從生物相容性、力學(xué)性能這兩個(gè)方面回顧了當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)方面所用鈦合金材料的探索現(xiàn)狀，并展望了其未來的發(fā)展方向，為后續(xù)的深入研究提供一定依據(jù)。

1 鈦合金生物相容性方面的研究

由于鈦合金材料擁有極高的生物相容性，同時(shí)兼具其他特質(zhì)而被作為植入體在生物醫(yī)療領(lǐng)域普遍使用。要想使鈦合金能夠長期在人體內(nèi)安全、穩(wěn)定地發(fā)揮作用并且達(dá)到治療成效，研制與體內(nèi)骨骼、細(xì)胞等組織產(chǎn)生優(yōu)異生物相容性的鈦合金就顯得至關(guān)重要[4]。

Kewen Li等[5]研究了石墨烯涂層對廣泛應(yīng)用于髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)置換的鈦合金（Ti6Al4V）生物活性的影響。結(jié)果表明，G-Ti6Al4V對長春新堿的平均積分光密度（IOD）較高，細(xì)胞增殖率較高，成骨細(xì)胞特異性基因轉(zhuǎn)錄水平較高，得出石墨烯可作為Ti6Al4V支架的新型納米涂層材料，以提高其表面生物活性。

Yanjie Bai等[6]研究開發(fā)出一種具有極低楊氏模量且擁有高強(qiáng)度的Ti-45Nb合金，其楊氏模量相對于純Ti來講，降低到了64.3 GPa左右（接近于人體中的皮質(zhì)骨），同時(shí)具有較高的抗拉強(qiáng)度和硬度。重要的是，Ti-45Nb合金在SBF、MAS和FAAS（含NaF的MAS）等不同介質(zhì)中，能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的抗腐蝕性能，并且對骨骼組織、體外細(xì)胞有極高的相容性，接近人體骨骼的彈性。

Ying-SuiSun等[7]研究了人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（hMSCs）對低彈性模量Ti-24Nb-4Zr-8Sn（Ti2448）合金表面的不同反應(yīng)。結(jié)果表明，將genipin固定在噴砂/酸蝕Ti2448合金表面，顯著增強(qiáng)了hMSCs細(xì)胞外基質(zhì)的礦化和某些成骨標(biāo)志物（骨唾液蛋白和骨鈣素）的表達(dá)，genipin固定Ti2448有利于骨科和牙種植體的應(yīng)用。

J.Faure等[8]采用無細(xì)胞培養(yǎng)基，脫細(xì)胞DMEM溶液在堿（NaOH）處理鈦合金表面形成類骨磷灰石，通過實(shí)驗(yàn)成果研究發(fā)現(xiàn)，該方法能夠成功地運(yùn)用于經(jīng)堿處理的鈦基體中，從而獲得均勻的羥基磷灰石涂層。

Nor Haliza Mat-Baharin等[9]利用浸泡方法，探討了在組織培養(yǎng)環(huán)境中Ti-10Mo-10Cr、Ti-10C和Ti-10Mo對口腔中牙齦成纖維細(xì)胞（HGFs）元素浸出性所產(chǎn)生的變化。結(jié)果顯示，Ti-10Mo-10Cr在整個(gè)浸泡過程中釋放的Mo濃度最高。采用含金屬生長培養(yǎng)基和直接暴露法處理的成纖維細(xì)胞，其存活率無顯著差異。浸泡時(shí)間的長短并不造成細(xì)胞的活力的變化。但是，當(dāng)細(xì)胞直接生長在合金表面上時(shí)，暴露1天和7天后，細(xì)胞活性顯著受到影響。新開發(fā)的β-鈦合金對口腔中的牙齦成纖維細(xì)胞沒有產(chǎn)生細(xì)胞毒性。

Yanli Cai等[10]研究采用聚多巴胺薄膜誘導(dǎo)鈦合金表面羥基磷灰石（HA）的生長，以提高其骨傳導(dǎo)性。結(jié)果表明，在基底上生長的HA顆粒是由聚多巴胺膜介導(dǎo)的。BMP2肽均勻分布在HA涂層基質(zhì)上并以持續(xù)的方式釋放。此外，HA和BMP2肽的結(jié)合增加了細(xì)胞黏附力、ALP活性和成骨標(biāo)志物的基因表達(dá)，這對增強(qiáng)骨科醫(yī)療器械的開發(fā)具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

Timothy E.L.Douglas等[11]通過添加劑（EBM）制備的Ti6Al4V椎間盤被一層果膠、從柑橘（C）和蘋果（A）中提取的鈣結(jié)合多糖包裹，這些多糖還含有堿性磷酸酶（ALP），這種酶負(fù)責(zé)骨組織的礦化。結(jié)果表明，ALP負(fù)載果膠涂層可促進(jìn)hBMSC的黏附和增殖。

Maria DanielaVlad等[12]采用三維打印技術(shù)，以羥基磷灰石為生物活性基質(zhì)，制備了具有新型非周期多孔骨樣結(jié)構(gòu)的鈦合金支架。通過直接接觸成骨細(xì)胞培養(yǎng)，對這些新型金屬-陶瓷復(fù)合支架進(jìn)行了體外細(xì)胞黏附、增殖、形態(tài)及成骨標(biāo)志物基因表達(dá)的檢測，支架植入綿羊椎骨橫突和棘突并進(jìn)行組織學(xué)研究。體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：復(fù)合因素（定量MTT法）對細(xì)胞的黏附、增殖和活力無明顯影響；成骨細(xì)胞能夠黏附并獲得正常形態(tài)（熒光顯微鏡）；研究樣品在體外具有促進(jìn)和維持成骨分化、基質(zhì)成熟和礦化的能力。此外，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與沒有生物活性基質(zhì)的鈦支架相比，復(fù)合支架具有更大的滲透性，6個(gè)月后骨完全礦化。總之，如果進(jìn)行進(jìn)一步的尺寸和生物力學(xué)優(yōu)化，這些新型的復(fù)合支架可以替代實(shí)際的脊柱融合裝置，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)證明了成骨性能（即骨誘導(dǎo)和骨傳導(dǎo)性能）。

Fu-YuanTeng等[13]研究采用三維打印，微弧氧化（MAO）處理，Ca、P層共沉淀和BMP-2技術(shù)相結(jié)合的方法，制備了具有互連通道結(jié)構(gòu)的多孔鈦合金基種植體（MAO-CaP-BMP2）。MAO-CaP-BMP2是一種很好的生長因子載體，同時(shí)具有骨誘導(dǎo)和骨傳導(dǎo)性，能創(chuàng)造更好的成骨和血管生成。因此，它可以促進(jìn)骨形成。

2 鈦合金材料力學(xué)性能方面的研究

目前，生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域所用鈦合金材料大部分用途是制作外科植入物與矯形器械產(chǎn)品，例如牙種植體、人工關(guān)節(jié)和血管支架以及其他組織方面。作為植入人體內(nèi)的承力型部件，所植入的材料就要擁有極高的強(qiáng)度，并且擁有優(yōu)異的撓度與極好的彈性模量，才能夠滿足與人體相匹配，從而防止所植入的材料在體內(nèi)中產(chǎn)生斷裂失效[14-15]。

Khalid Ahmad OmarArafa[16]研究了鈦合金和鉻鈷合金制作可摘局部義齒連接體對牙移動、骨丟失和組織反應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)鈦合金組的牙齒全方位移動范圍及骨丟失范圍明顯比鈷合金小，說明鈦合金比鉻鈷更適合制作可摘局部義齒的主要連接體。

NutnichaTeng-amnuay等[17]為了直接模擬復(fù)雜的自然骨結(jié)構(gòu)，開發(fā)了將不同鈦合金鑄造成自然骨結(jié)構(gòu)的熔模，對純鈦、鈦銅共晶和Ti40Zr10Cu38Pd12合金進(jìn)行了鑄造對比。通過研究反應(yīng)層、硬度分布、相形態(tài)和鑒定表明，Ti40Zr10Cu38Pd12的反應(yīng)層厚度最小，骨小梁結(jié)構(gòu)復(fù)制能力最強(qiáng)。

JithinVishnu等[18]研究了生物相容性亞穩(wěn)β鈦合金Ti-35Nb-7Zr-5Ta（簡稱TNZT合金）在（α+β）相場中固溶處理（ST）的時(shí)效反應(yīng)。結(jié)果表明，較低的時(shí)效溫度提高了塑性（大于13%的延伸率），而較高的時(shí)效溫度使試樣以脆性方式失效（延伸率小于5%）。在時(shí)效處理中，350℃-16h時(shí)效處理能夠得到最佳強(qiáng)度（966 MPa）和塑性（13.7%）組合；350℃-16h時(shí)效過程中ω相析出對提高拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度起到關(guān)鍵作用；同時(shí)在500℃-8h時(shí)效過程中觀察到了塑性降低現(xiàn)象，主要原因是存在粗糙的透鏡狀晶界α沉淀和晶內(nèi)粗α板條。

Cambre N.Kelly等[19]研究了陀螺微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與SLM參數(shù)對Ti6Al4V-ELI支架結(jié)構(gòu)和功能的影響。表明支架在壓縮和拉伸載荷下均表現(xiàn)出拉伸主導(dǎo)的變形行為，并且具有孔隙率依賴的剛度和強(qiáng)度。在陀螺結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁觀察到內(nèi)部空洞缺陷，作為裂紋萌生導(dǎo)致失效的場所。激光參數(shù)的細(xì)化導(dǎo)致了壓縮和拉伸疲勞行為的增加，特別是對于厚壁陀螺微結(jié)構(gòu)，而薄壁沒有顯示出明顯的變化。

馬丹[20]采用選擇TC4合金作為基體材料，選擇Ni60A作為熔覆粉末，分別采用激光熔覆修復(fù)技術(shù)和激光自熔修復(fù)技術(shù)對斷裂的可摘除義齒鈦合金支架進(jìn)行修復(fù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)激光自熔修復(fù)得到的修復(fù)層表面比較平整，粗糙度低，而激光熔覆修復(fù)得到的熔覆層表面會有一層未熔融的金屬顆粒，粗糙度較高；自熔修復(fù)得到的修復(fù)層表面平均洛氏硬度值為 40.5 HRC，熔覆修復(fù)得到的修復(fù)層表面平均洛氏硬度值為54.3 HRC。

張繼武等[21]利用有限元模型仿真了種植體在口腔中所處環(huán)境，在受到垂直載荷的作用下，對比傳統(tǒng)合金材料(MA)種植體和新型醫(yī)用鈦合金材料(MB)種植體對牙齒骨骼、種植體、基臺的應(yīng)力分布變化情況。通過分析得出，新型鈦合金材料相比于傳統(tǒng)種植體材料，彈性模量更為接近人體骨骼，使得基臺、種植體、螺釘?shù)葢?yīng)力不同程度的降低。同時(shí)，種植體周圍的皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨所產(chǎn)生的應(yīng)力增大，刺激骨細(xì)胞的增長，骨性結(jié)合更加穩(wěn)定。

魏芬絨等[22]采用水平正交實(shí)驗(yàn)的方法通過調(diào)整 Ti-6Al-4V ELI化學(xué)成分中Fe、O含量、退火溫度和時(shí)間等幾方面對脊柱頂絲類醫(yī)用鈦合金Ti-6Al-4VELI棒材的力學(xué)性能方面所產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明，當(dāng)Fe約為0.2%，O含量約為0.13%的Ti-6Al-4V ELI鈦合金，采用650~700℃/1.5h退火處理時(shí)，可獲得強(qiáng)度（Rm>1 050 MPa，Rp0.2>960 MPa）、塑性（A>15%，Z>50%）、硬度（HV>310）等綜合性能優(yōu)異的高強(qiáng)韌性Ti-6Al-4V ELI鈦合金棒材。

張嬌嬌[23]制備了新型二元合金Ti-1Zr，Ti-2Zr及Ti-16Zr合金，并對幾種合金在納米力學(xué)性能、耐腐蝕性能及耐磨性能方面進(jìn)行了研究。分析表明，Ti-2Zr合金呈現(xiàn)出了非常高的自腐蝕電位和非常低的腐蝕電流密度，試樣耐腐蝕性排序?yàn)椋篢i-2Zr >Ti-1Zr >Ti-16Zr >cpTi。與Ti-Zr合金相比，cpTi在承受外界載荷方面的能力極強(qiáng)，塑性變形方面微弱小，并且硬度很大。當(dāng)Zr含量提高時(shí)，Ti-Zr合金承受外界載荷的能力將有所提升，塑性變形降低，硬度提高。Zr含量提高時(shí)，比磨損率也表現(xiàn)出下降態(tài)勢，所有試樣呈現(xiàn)出的耐磨性排序?yàn)椋篶p Ti≈Ti-16Zr >Ti-2Zr >Ti-1Zr。

趙杰等[24]分析了醫(yī)用鈦合金Ti-27Nb-8Zr在經(jīng)過固溶之后，在不同時(shí)效溫度時(shí)組織方面的影響情況。分析顯示，Ti-27Nb-8Zr合金的顯微組織在經(jīng)過了固溶處理以后，由β+α兩相構(gòu)成，呈現(xiàn)出非常低的彈性模量及強(qiáng)度；在經(jīng)過時(shí)效處理以后，存在β、α、ω三相，由此引起彈性模量與強(qiáng)度明顯提升，當(dāng)時(shí)效溫度變高時(shí)，組織生長，彈性模量與強(qiáng)度有所下降。

3 結(jié)束語

雖然醫(yī)用鈦合金材料具有突出的性能，在醫(yī)療領(lǐng)域的用量不斷增加，但是由于人體內(nèi)復(fù)雜的生理環(huán)境對醫(yī)用鈦合金性能要求很高，要滿足患者臨床治療的長效安全性和功能性，仍然需要加快鈦合金的開發(fā)與研制，特別是加強(qiáng)醫(yī)用鈦合金表面改性技術(shù)的研究，包括如何改善生物活性、強(qiáng)度、耐磨性和耐腐蝕性等更多方面的探索。相信隨著生物、醫(yī)學(xué)、機(jī)械、材料等交叉學(xué)科技術(shù)的不斷進(jìn)步，后期定會研制出能夠真正融入人體、適合人體的醫(yī)用鈦合金材料。

［1］于思榮.生物醫(yī)學(xué)鈦合金的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 材料科學(xué)與工程，2000（2）：131-134.

［2］李銅，徐晉勇，高波，等.生物醫(yī)用鈦合金表面改性研究進(jìn)展[J/OL].熱加工工藝.https://doi.org/10.14158/j.cnki.1001-3814.20190466.

［3］于振濤，余森，程軍，等.新型醫(yī)用鈦合金材料的研發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀[J].金屬學(xué)報(bào)，2017，53（10）：1238-1264.

［4］于振濤，韓建業(yè)，麻西群，等.生物醫(yī)用鈦合金材料的生物及力學(xué)相容性[J].中國組織工程研究，2013，17（25）：4707-4714.

［5］Li Kewen, Yan Jinhong, Wang Chunhui, et al. Graphene modified titanium alloy promote the adhesion, proliferation and osteogenic differentiation of bone marrow stromal cells[J].,2017,489(2):187-192.

［6］Yanjie Bai, Yi Deng, Yunfei Zheng, et al. Characterization, corrosion behavior, cellular response and in vivo bone tissue compatibility of titanium–niobium alloy with low Young's modulus[J].,2016,59: 565-576.

［7］Ying-Sui Sun, Chi-Ya Huang, Chiang-Sang Chen, et al. Bone cell responses to a low elastic modulus titanium alloy surface immobilized with the natural cross-linker genipin[J].,2018,350:918-924.

［8］J. Faure, A. Balamurugan, H. Benhayoune, et al. Morphological and chemical characterisation of biomimetic bone like apatite formation on alkali treated Ti6Al4V titanium alloy[J].,2009,29(4):1252-1257.

［9］Nor Haliza Mat-Baharin, Masfueh Razali, Shahida Mohd-Said, et al. Influence of alloying elements on cellular response and in-vitro corrosion behavior of titanium-molybdenum-chromium alloys for implant materials[J/OL]..https:// doi.org/10.1016/j.jpor.2020.01.004.

［10］Yanli Cai, Xiaoyan Wang, Chye Khoon Poh, et al. Accelerated bone growth in vitro by the conjugation of BMP2 peptide with hydroxyapatite on titanium alloy[J].,2014,116:681-686.

［11］Timothy E.L. Douglas, Ute Hempel, Jagoda ?ydek, et al. Pectin coatings on titanium alloy scaffolds produced by additive manufacturing: Promotion of human bone marrow stromal cell proliferation[J].,2018,227: 225-228.

［12］Maria Daniela Vlad, Enrique Fernández Aguado, Sergio Gómez González, et al. Novel titanium-apatite hybrid scaffolds with spongy bone-like micro architecture intended for spinal application: In vitro and in vivo study[J/OL]..https:// doi.org/10.1016/j.msec.2020.110658.

［13］Teng Fu-Yuan, Tai I-Chun, Ho Mei-Ling, et al. Controlled release of BMP-2 from titanium with electrodeposition modification enhancing critical size bone formation[J/OL]..https://doi.org/10.1016/j. msec.2019.109879.

［14］王運(yùn)鋒，何蕾，郭薇.醫(yī)用鈦合金的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2015，32（1）：1-6.

［15］廖贊，繆衛(wèi)東，馬嘉麗.鈦合金在生物醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀和展望[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2017（3）：19-24.

［16］Khalid Ahmad Omar Arafa. Comparing the effects of titanium alloy and chrome cobalt in removable partial denture connectors on tooth mobility, bone loss and tissue reaction[J].,2016,7(2):112-117.

［17］Nutnicha Teng-amnuay, Chaiyapat Tangpatjaroen, Ekasit Nisaratana- porn, et al. Replication of Trabecular Bone Structure and Reaction Layer Analysis of Titanium Alloys Using Investment Casting Technique[J].,2014,12:316-322.

［18］Jithin Vishnu, Magesh Sankar, H.J. Rack, et al. Effect of phase transformations during aging on tensile strength and ductility of metastable beta titanium alloy Ti–35Nb–7Zr–5Ta-0.35O for orthopedic applications[J/OL]..https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139127.

［19］Kelly Cambre N, Francovich Jaedyn, Julmi S, et al. Fatigue behavior of As-built selective laser melted titanium scaffolds with sheet-based gyroid microarchitecture for bone tissue engineering[J].,2019,94:610-626.

［20］馬丹. 基于鈦合金（TC4）材料的義齒逆向設(shè)計(jì)及3D打印技術(shù)研究[D].錦州：遼寧工業(yè)大學(xué)，2017.

［21］張繼武，榮起國.新型醫(yī)用鈦合金材料對種植體生物力學(xué)行為的影響[J/OL].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào).https://doi.org/10.16182/j.issn1004731x.joss. 19-FZ0521.

［22］魏芬絨，樊亞軍，王海，等.脊柱頂絲用Ti-6Al-4V ELI鈦合金性能的研究[J].熱加工工藝，2014，43（4）：98-102.

［23］張嬌嬌. 醫(yī)用鈦合金的納米力學(xué)性能、腐蝕磨損和抗菌性能研究[D]. 太原：太原理工大學(xué)，2019.

［24］趙杰，段洪濤，李海濤.低彈性模量Ti-27Nb-8Zr醫(yī)用鈦合金組織與力學(xué)性能(英文)[J].稀有金屬材料與工程，2010，39（10）：1707-1710.

Research Progress in Titanium Alloy Materials Used in Biomedical Field

（Aeronautical Institute, Changji University, Xinjiang Changji 831100, China）

The research progress of titanium alloy in biomedical field in recent years was reviewed from two aspects of biocompatibility and mechanical properties, and the development direction and research hotspot of medical titanium alloy were prospected.

biomedicine; titanium alloy; biocompatibility; mechanical properties

2020-04-07

黨元曉（1990-），男，中級工程師/助教，工學(xué)碩士，河南省南陽市人，2016年畢業(yè)于新疆大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)，研究方向：從事模具CAD/CAE/CAM、快速成型技術(shù)、航空金屬材料技術(shù)工作。

TQ050.4+1

A

1004-0935（2020）04-0387-04