生物醫(yī)用材料Ti6Al4V的研究進(jìn)展

白 玲， 丁紫陽(yáng)

(鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程系， 河南 鄭州 450121)

生物醫(yī)用材料作為現(xiàn)代社會(huì)臨床治療的常用材料之一，對(duì)人類(lèi)的生命健康十分重要[1-2]。近年來(lái)，生物醫(yī)用鈦合金的需求量快速增長(zhǎng)。生物醫(yī)用材料鈦合金具有優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的生物相容性，尤其作為植入材料，在國(guó)內(nèi)外臨床上得到了廣泛應(yīng)用。鈦基生物金屬材料通常被認(rèn)為是骨科植入物的最佳選擇。目前，使用最多的鈦植入生物醫(yī)用材料是純鈦和鈦合金 Ti6Al4V，它們是臨床治療過(guò)程中與人體皮質(zhì)彈性模量最匹配的醫(yī)用金屬，是當(dāng)今骨科手術(shù)、口腔治療等領(lǐng)域優(yōu)先選擇的材料[3-4]。特別是鈦合金 Ti6Al4V，不僅加工性好，而且其力學(xué)性能、生物活性等更接近臨床需要，十分適用于制作成人工骨、接骨板、牙種植體等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，Ti6Al4V是當(dāng)前臨床最常見(jiàn)的鈦基金屬植入材料[2]，其份額大約為所有鈦合金制品的 80%。然而，Ti6Al4V合金在實(shí)際臨床應(yīng)用中還存在一些問(wèn)題，在一定程度制約了Ti6Al4V在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用。本論文主要介紹了生物醫(yī)用材料——鈦合金Ti6Al4V的研究現(xiàn)狀以及臨床應(yīng)用中存在的主要問(wèn)題，并對(duì)鈦合金Ti6Al4V存在的問(wèn)題提出了解決途徑。

1 生物醫(yī)用材料簡(jiǎn)介

生物醫(yī)用材料，是新材料的重要組成部分，主要是指具有生物體功能的材料，具體來(lái)說(shuō)，就是指能夠用于生物體內(nèi)，并且在使用過(guò)程中既可以實(shí)現(xiàn)生物體內(nèi)受損細(xì)胞、組織、器官等的替換、修復(fù)或誘導(dǎo)再生等，又不會(huì)引起生物體的排斥和不良反應(yīng)的材料。

生物醫(yī)用材料的研究不僅要保證材料自身的理化性能符合要求，而且還要考慮材料表面的生物結(jié)構(gòu)、生物功能符合生物體的內(nèi)部環(huán)境要求，此外，還需要保證臨床使用時(shí)不對(duì)人體產(chǎn)生危害。目前，生物醫(yī)用材料的研究方向很多，主要包括鈦及鈦合金、高抗凝血材料、生物粘合劑、血液凈化材料等[5]。

2 生物醫(yī)用鈦合金Ti6Al4V研究現(xiàn)狀

關(guān)于生物醫(yī)用材料Ti6Al4V的研究，目前國(guó)內(nèi)外主要以提高Ti6Al4V表面的生物活性、生物相容性、耐磨性等功能特性為目標(biāo)，大部分通過(guò)在Ti6Al4V表面制備功能性薄膜和涂層實(shí)現(xiàn)。例如，在Ti6Al4V表面制備羥基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)涂層、鈦酸鈣(CaTiO3)涂層、TiO2薄膜、TiN層、石墨烯涂層、類(lèi)金剛石薄膜等。

利用涂層制備技術(shù)在鈦合金Ti6Al4V表面形成生物活性HA涂層[6-7]，一方面能夠有效改善Ti6Al4V植入物的表面活性，另一方面也能增加其生物相容性。臨床實(shí)踐表明，HA涂層對(duì)骨組織成長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用，但是HA涂層與Ti6Al4V基體結(jié)合強(qiáng)度不高，導(dǎo)致涂層易提前剝落，引起體內(nèi)炎性反應(yīng)，影響植入物的使用壽命。

Stanishevsky[8]等將不同比例的硝酸鈣、異丙醇鈦混合，采用Sol-gol 法在Ti6Al4V表面制備出厚度為3 μm 的CaTiO3涂層，經(jīng)測(cè)試涂層與Ti6Al4V基體的機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度可增加至70 MPa，提升了Ti6Al4V 合金的性能，但是該過(guò)程周期較長(zhǎng)、原料成本高。

Oliveira[9]等以CaCl2溶液為電解液，采用電火花加工技術(shù)在Ti6Al4V表面制備CaTiO3涂層，通過(guò)工藝參數(shù)調(diào)整，該涂層厚度可達(dá)200 μm，厚度、硬度等指標(biāo)符合材料的醫(yī)用要求，但是涂層制備過(guò)程中容易產(chǎn)生氣泡孔洞和裂紋，涂層表面的一致性難以保證，影響了涂層的制備質(zhì)量。

在鈦合金表面涂覆一層TiO2薄膜能有效提高鈦合金材料的生物活性，但容易出現(xiàn)薄膜厚度不均勻、結(jié)合強(qiáng)度不高的問(wèn)題。李克文[10]借助石墨烯導(dǎo)電膜，采用膜轉(zhuǎn)移法在Ti6Al4V表面制備了石墨烯涂層。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，石墨烯涂層與基體結(jié)合力良好，親水性和表面粗糙度增加，生物活性及生物相容性提高，但是力學(xué)性能沒(méi)有改變。在鈦合金Ti6Al4V表面制備石墨烯涂層，近年來(lái)逐漸得到關(guān)注并且應(yīng)用逐漸增多，但是其涂層的質(zhì)量和效果受石墨烯制備工藝的影響很大，某些制備工藝會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞毒性的產(chǎn)生。例如采用化學(xué)氣相沉積法制備的石墨烯可能顯著加快神經(jīng)細(xì)胞的凋亡速度，并且會(huì)增大神經(jīng)細(xì)胞中出現(xiàn)活性氧的概率。

吾凡別克·巴合提[11]等采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD) 技術(shù)，在不同粗糙度Ti6Al4V表面制備類(lèi)金剛石薄膜，并對(duì)膜-基結(jié)合力、腐蝕性、生物相容性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，類(lèi)金剛石薄膜與基體結(jié)合力最高可達(dá)45N，耐腐蝕性、生物相容性有所提升，在Ti6Al4V表面制備類(lèi)金剛石薄膜是一種有效的表面改性方法。在鈦合金表面制備類(lèi)金剛石薄膜涂層雖然取得了不錯(cuò)的臨床效果，但是類(lèi)金剛石抗磨損差，容易形成碎片并形成血栓。

3 Ti6Al4V存在的主要問(wèn)題

3.1 生物相容性

生物醫(yī)用材料Ti6Al4V由于與人體骨性能接近，且生物相容性好，故可以將其植入人體內(nèi)。臨床上Ti6Al4V雖然是人工骨的主要成分，但是其和人體的骨骼成分有著本質(zhì)的區(qū)別，其生物相容性和自然骨存在著一定的差異。當(dāng)Ti6Al4V人工骨被植入人體后，無(wú)法像自然骨一樣在其四周產(chǎn)生纖維包囊，植入骨和人體骨只是簡(jiǎn)單的機(jī)械嵌連，其結(jié)合力與相容性與人體骨相比，存在一定的差距[12]。

3.2 力學(xué)性能

首先，Ti6Al4V與人體骨組織的彈性模量存在較大差異，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，力學(xué)性能的不匹配可能造成植入物的脫落；其次，Ti6Al4V 合金不足以抵抗由機(jī)械運(yùn)動(dòng)引起的摩擦磨損，隨著植入時(shí)間的延長(zhǎng)，可導(dǎo)致植入物失效，這樣就會(huì)大大增加表面出現(xiàn)氧化的傾向，當(dāng)氧化發(fā)生時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)脆性大的氧化物，并隨著反復(fù)摩擦最終剝落，不僅喪失Ti6AI4V應(yīng)有的保護(hù)作用，而且會(huì)進(jìn)一步加速關(guān)節(jié)表面的磨損，隨著磨損的加劇，關(guān)節(jié)會(huì)逐漸松動(dòng)，最終發(fā)生人工關(guān)節(jié)失效現(xiàn)象。

3.3 耐腐蝕性能

生物醫(yī)用材料Ti6Al4V植入體內(nèi)后，不僅要與人體內(nèi)部的體液相互作用，而且還要承受各種外力。雖然Ti6Al4V表面的鈍化膜能夠保護(hù)植入物。但是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，Ti6Al4V耐腐蝕性下降，其鈍化膜在復(fù)雜的人體環(huán)境中可能被剝離、溶解，并且釋放到人體組織內(nèi)。一旦這種情況發(fā)生，可誘發(fā)毒性、炎癥、血栓等反應(yīng)[13]。

4 Ti6Al4V問(wèn)題的改善途徑

要解決Ti6Al4V合金臨床應(yīng)用中的問(wèn)題，主要有兩種途徑：第一種是優(yōu)化Ti6Al4V的成分；第二種是對(duì)Ti6Al4V的表面進(jìn)行改性。

4.1 成分優(yōu)化

由于Ti6Al4V臨床應(yīng)用已經(jīng)相對(duì)成熟，加之開(kāi)發(fā)新型生物醫(yī)用材料難度大、周期長(zhǎng)、成本高，故針對(duì)Ti6Al4V臨床中存在的問(wèn)題，可通過(guò)添加某些適當(dāng)?shù)脑兀瑢?shí)現(xiàn)Ti6Al4V成分優(yōu)化，改善其性能。Ti6Al4V在成分優(yōu)化時(shí)，需要考慮以下三點(diǎn)。

第一，元素進(jìn)入人體后將產(chǎn)生的一系列生物效應(yīng)。在選擇Ti6Al4V添加元素時(shí)，要優(yōu)先考慮其對(duì)人體的生物效應(yīng)。部分純金屬元素的人體生物效應(yīng)及其特征如表1所示。另外，還需要考慮元素的神經(jīng)毒性和細(xì)胞毒性。有研究表明：Al、V、Cu、Ni等屬于有毒元素，Mo、Fe、Co-Cr 合金等則具有某種程度的生物相容性，而 Nb、Ta、Zr、Sn 等則具有很好的生物相容性[14-15]。

表1 部分純金屬元素的人體生物效應(yīng)及其特征

第二，元素的加入對(duì)合金力學(xué)性能尤其是對(duì)彈性模量及耐磨性能等產(chǎn)生的影響。鈦合金的彈性模量高于人體骨組織，要使合金具有較低的彈性模量，應(yīng)保證合金同時(shí)具有較高的Bo、Md值。圖1為 Ti-M二元合金的Bo-Md圖[14]。該圖中Bo、Md值較高的有Mo、Nb、Zr和Ta等，故選擇這些元素有利于改善彈性模量。

第三，金屬元素的加入對(duì)合金耐蝕性能產(chǎn)生的影響。由于人體內(nèi)環(huán)境十分復(fù)雜，要求植入產(chǎn)生的Ti6Al4V合金具有較好的耐蝕性，否則就可能導(dǎo)致Ti6Al4V表面被剝離、溶解，從而誘發(fā)毒性、炎癥、血栓等不良反應(yīng)，影響臨床應(yīng)用。

4.2 表面改性

表面改性能夠在保持基體材料自身優(yōu)異性能的基礎(chǔ)之上，有針對(duì)性地改善基體材料表面的某些不足，使基體材料表面獲得優(yōu)勢(shì)性能的疊加。相對(duì)鈦合金成分優(yōu)化而言，鈦合金表面改性具有研發(fā)周期短、投入成本低、操作簡(jiǎn)單便捷等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，鈦合金表面改性已成為生物醫(yī)用材料最活躍的領(lǐng)域之一[16]。目前，國(guó)內(nèi)外鈦合金常用的表面改性方法及應(yīng)用見(jiàn)表2。

圖1 Ti-M 二元合金的 Bo-Md 圖Fig. 1 Bo-Md diagram of Ti-M binary alloy

通過(guò)表面改性技術(shù)提高和改進(jìn)醫(yī)用金屬材料生物學(xué)性能，是當(dāng)今生物醫(yī)用材料發(fā)展的重點(diǎn)。Ti6Al4V作為鈦合金的一種，合理選擇表面改性方法，綜合不同表面改性技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，是解決生物醫(yī)用材料Ti6Al4V臨床問(wèn)題的重要途徑之一。

表2 鈦合金常用的表面改性方法及典型應(yīng)用

5 結(jié)語(yǔ)

雖然生物醫(yī)用材料Ti6Al4V臨床研究取得了一系列的成果，但是Ti6Al4V臨床應(yīng)用依然存在不足。因此，提高和改進(jìn)Ti6Al4V的生物學(xué)性能，仍然是今后Ti6Al4V發(fā)展的重點(diǎn)。通過(guò)改善Ti6Al4V合金的成分、對(duì)Ti6Al4V合金的表面進(jìn)行改性，是現(xiàn)階段解決生物醫(yī)用材料Ti6Al4V臨床應(yīng)用問(wèn)題的主要途徑。