（材料学专业论文）ti25nb2zr合金表面生物活性化研究.pdf

摘要 p 钛合金因具有良好的综合力学性能、生物相容性和较低的弹性模量，而得 到广泛关注。本研究采用自主开发的p t i 2 5 n b 2 z “a 慌) 合金，进行表面生物活 性处理。 首先对t i 2 5 n b 一2 z r 进行氧化处理，随后在1 5 倍模拟体液中仿生生长c a p 层，用s e m 、a f m 、x r d 、f t - i r 以及x p s 对合金表面的氧化层和c a p 层进行 分析与表征。结果表明，3 0 0 和4 0 0 氧化后，合金表面形成了主要由亚稳态 的t i 。0 2 x _ 1 和结晶度不高的锐钛矿型t i 0 2 组成的氧化层。5 0 0 下氧化，能够得 到结晶度较高的、近棱柱形纳米金红石结构t i 0 2 ，以及少量的n b 2 0 5 和z r 0 2 ， 具有诱导磷灰石形成能力。温度为6 0 0 时，虽然同样会形成金红石型氧化层， 但存在a 相的析出。对于5 0 0 氧化处理的合金，随着仿生生长时间的延长， c a p 层不断变厚，结晶度也获得了提高，微观结构由颗粒状逐渐变为短棒状， 再到长棒状，最终形成了多孔网状结构，并且存在沿( 0 0 2 ) 晶面择优取向生长。 仿生生长3 d 后的c a p 层是含有c 0 3 2 。的羟基磷灰石，即类骨磷灰石，这种c a p 层的形成将会极大地改善合金表面的生物活性和生物相容性。另外，在仿生生长 之前，进行预钙化处理，能够使合金表面形成钙磷初始晶核，从而为磷灰石晶体 的仿生生长提供形核质点，有利于促进晶体非均匀成核和继续长大。 关键词：p 钛合金t i n b z r 合金氧化仿生生长c a p 层 a b s t r a c t l li sw e l lk 砖o w 魏丞a t 争弧鑫l l o y se o 掇b i 稳oe x e e l l e 痰燃o e h 鼹i e a lp 羚p e 娃i e s ， b i o c o m p a t i b i l i 毋，a n dl o w e rm o d u l u so fe l a s t i c i t y ，w h i c hd r a wm u c hm o r ea t t e n t i o n 。 i nt h i ss t u d y ，p t i 一2 5 n b 一2 z r ( a t ) a l l o yd e v e l o p e db yo u r 盯o u pw a se x p e r i e n c e d s u l 侥c eb i o l o g i c a la c t i v a t i o nt 1 e a t i n e n t 鬣一2 5 一2 z f a l l 孵 w 鑫s蠡敝 毽羹d e 塔o n e o x 遮i 蕊i o 珏溉越越e 秘t i 建斑鼹莲 s u b s e q u e n t l yi m m e r s e di n1 5s b ff o rb i o m i m e t i cg r o 、n ho fc a - pl a y e r t h eo x i d e l a y e ra n dc a pl a y e ro nt h es u r f a c eo ft h ea l i o yw e r ea n a l y z e da n dc h a r a c t e r i z e db y s e m ，a f m ，x r d ，f l ra n dx p s t 1 1 er e s u bs h o w ：a f 琵ro x i d a t i o na t3 0 0 a n d 4 0 0 i na i r ，8 no x i d el a y e re o m p o s e do fm e t a s t a b l e x c l 2 静la n dp o o re r y 懿箍l l i z e d a n a t a s et i 0 2w e r ef o n n e do nt h ea l l o ys u r f a c e ；w h e no x i d i z e da t5 0 0 ，s i m i l a r p r i s m s h a p e dn a n o m e t e rr u t i l et 0 2w i mr e l a t i v e l yh i g h e rc 拶s t a m n i t ) ，a n ds m a l l 绷。疆鹏o f 2 0 5 鑫羚蠢z 国2 职愆。魄强e d ，娟i c h 弦s s e s s e s 印a t i 绝i 鑫d u e i 魏g 拍添耋y ； a t6 0 0 ，b e s i d e ss i m i l a rr u t i l eo x i d el a y e ra p p e a r e do nt h ea l l o ys u r f a c e ，ap h a s ea l s o p r c c i p i t a t e di nt h ea j j o y ；f o rt h e 一5 0 0 o x i d i z e da l l o y ，t h ec a pl a y e rg o tt h i c k e ra n d i t sc 搿s t a l l i n 酶g o lb e t t e ra st i m e 、v 。n tb y ；出em i c r o s t m e t u r ec h a n g e d 蠹o mg r a n u l et o s h o 曛b a f ，l o n gb a l a n de v e l l 重h a l l y i n t oi n t e l i e o n n e c 重e dn e 鲥。威a n d ( 0 0 2 ) w a sl h e p r e f e r r e dg r o 、 吨ho r i e n t a t i o n t h ec a pl a y e ra r e ri m m e r s e d3d a yi n1 5s b f w a sh a c o n t a i n i n gc 0 3 厶，i e b o n e - l i k ea p a t i t e ，w h i c hm e a n ss u c hc a pl a y e rm i g h tg r e a t l y i 瓣p 瀚v e 盘eb i 。a 珙i v i 移鑫n db i o e o 黼p 菇溽i l i 锣o f 攮e 痰l o y 1 秘嬲d i i o n ，p r e - e a l e i 羹e 越i o n t r e a t m e n tb e f o r eb o m i m e t i cg r o 、帆hf o rt h ea l l o yc o u l de n a b l et h ef o 瑚a t i o no fi n i t i a l n u c i e u sf o rc a pl a y e r ，w h i c hw i l lc o n s e q u e n t l yp r o v i d ep r e f e r e n t i a ln u c l e a t i o ns i t e s f o rt h eb i o m i m e t cg r o 、机ho fa p a t i t el a y e r ，a n df a c i l i t a t et h eh e t c r o g e n e o u sn u c l e a t i o n 鞠d 轳o w 氇o f 琢e 印雏i 专ee 黟s 镰l s k e yw o r d s ：p - t ia l l o y s ，t i n b - z ra l l o y ，o x i d i z a t i o n ，b i o m i m e t i cg r o w t l l ，c a - p l 鑫v e f 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞基堂或其他教育机构的学位或证 书面使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所徽的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：酋洞民签字臁 堋 年多月矽r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关僳蟹、使用学位论文的规定。 特授权苤壅墨堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密豹学位论文在解密后遁雳本授权说明) 学位论文作者繇苣司氏 签字同期：渺夕年多月历图 导师签名： 惕修 签字日期：渺扩年多月，dr 第章文献综述 1 1 前言 第一章文献综述 生物医用材料( b i o m e d i c a lm a t e r i a l s ) ，是指一类具有特殊性能、特种功能，用 于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、检查等医疗、保健领域，以诊断、治 疗，以及替换生物机体中的组织、器官或增进其功能，而对人体组织、血液不致 产生不良影响的材料。近几年来，随着材料科学和骨科学的不断发展，生物医用 材料在骨科领域已有了相当广泛的临床应用。目前用于临床的生物医用材料主要 包括生物医用金属材料、生物医用有机材料( 主要指有机高分子材料) 、生物医用 无机非金属材料( 主要指生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料) 以及生物医用复合材料 笙【l ，2 】 弋ro 生物医用材料研究的重点是在保证安全性的前提下寻找组织相容性更好、可 降解、耐腐蚀、持久、多用途的生物医用材料，具体体现在以下几个方面i j j ： ( 1 ) 提高生物相容性的组织相容性 ( 2 ) 生物医用材料的可降解化 ( 3 ) 生物医用材料的生物功能化和生物智能化 ( 4 ) 开发新型医用合金材料 ( 5 ) 作为研究热点的纳米生物材料 ( 6 ) 增强生物医用材料的治疗特性 ( 7 ) 研究具有多种特殊功能的生物材料 生物医用材料是高技术材料市场中技术附加值最高的材料。随着中、青年创 伤的增加，人口老龄化和经济的发展，生物医用材料和制品的用量正在大幅度上 升 4 1 。而作为生物医用材料的研究热点硬组织修复材料，是生物医用材料中 发展最早最成熟的一个领域，其研究及开发是当前生物医用材料中全球关注的课 题，是生物材料中非常活跃的方向。据统计，美国每年的骨修复手术近1 0 0 万例， 约8 0 需要植入人工骨材料，国内每年因交通事故、工伤等造成的骨折、骨组织 缺损或缺失伤员超过3 0 0 万人，同时由于人口老龄化，仅国内人工关节修复和替 换年增长率就高达3 0 5 i 。因此，采取有效措施发展用于人体组织和器官再生与 修复的生物医用材料尤其是硬组织修复材料具有重大社会效益1 6 j 。 自体骨和异体骨是当前骨损伤修复广泛采用的植入材料。自体骨易被患者接 第章文献综述 受，但会造成患者的二次损伤帮痛苦；异体雷取材简便，但存在免疫排斥和疾病 传播等生物安全性隐患。因爰：人工骨组织修复生物医用材料越来越受到冁床青 睐，它是一类可对机体组织进行修复、替代与再生，具有特殊功能作用的材料， 该类材料在临床的应用，为伤( 患) 者恢复正常的生理功能，创造自立和自强的生 活提供了可能，同时也哥避免采矮自体骨和舞体骨所带来的闻题 4 ，引。 金属材料作为最早被使用的硬组织修复、替代材料，因其有高的强度、良好 的韧性及抗弯曲疲劳强度、优异的加工性能等许多其它医用材料不可替代的优良 性能，在最初的研究和应用上得到了巨大发展。其中，钛及箕合金凭借优良的综 合性能，成力人工关节、骨剑伤产品、脊柱矫形内固定系统、牙种植体、牙托、 牙矫形丝、人工心脏瓣膜、介入性心血管支架等医用植入物产品的首选材料。但 是，近年来某些钛合金中的合金元素被证明是对人体有害的，出于安全性和可靠 性的考虑，有关耨型钛合金的开发和表面活性化研究进行的方兴未艾_ j 。 1 2 生物医用钛合金材料的基本要求 对于长期植入的医用钛合金材料必须具有以下性能：耐蚀性；生物相容 性；低弹性模攮；优良的力学性能。 耐蚀性。耐蚀性是指材料檬入生物体后对在生物体液介质中发生的一系列化 学反应两弓l 起的表面、内部腐蚀以及檀入物离子进入到生物体体液的抵抗能力。 耐蚀性能差会使植入物因腐蚀而引起力学性能下降，同时植入物离子进入到生物 体体液中会引起局部炎症、过敏及中毒反应。人体体液中含有水、葡萄糖、聚糖、 蛋爨矮、类脂物、约o 。9 的n a c l ，以及m m 级的c 3 2 + 、m 矿十、n a + 、k + 、c ko h 和h 2 p 0 4 等，正常状态下p h 值约为7 4 哦在这种介质中，铁及钛合金都具有良 好的耐蚀性。 生物相容性。生物相容性是指生物体组织对植入材料同生物体之间相互作用 后产生的各耪复杂的生物、物理、化学反应的种棱容程度，也就是植入材料是 否会给生物体带来毒害。生物相容性包括化学相容性和力学相容性p ，阳j 。前者主 要是指材料必须无细胞毒性、组织刺激性、过敏反应、遗传毒性和致癌憔等。后 者是指力学性能接近修复部位的特征，即使长期使用其功熊也不发生变化。对于 钛合金丽言，对人体的毒害作用主要是由金属离子进入人体体液造成的。这就要 求钛的合金元素是安全的，并且不容易释放到生物体体液中去。目前常用的钛的 合金化元素及其毒性见表1 1 i l 】q 川。 低弹性模量。钛合金植入到人体后，壶予入体的运动，毖然会与藤圈的骨缰 织发生力的作用，这些力包括挝压和弯曲应力。若种植体和入骨之间弹性模量不 第章文献综述 匹配，使这些力不能由种植体很好地传递到栩邻的骨组织，便会出现“应力屏蔽” 现象，引起骨种植体界面应力分布异常，导致种植体溺滏出现骨吸收，造成 骨组织厚度下降和骨质疏松而阻碍骨的修复和重塑，并最终引起种植体松动或断 裂，使得种植失败【1 4 ，1 5 】。生物钛合金植入物与骨组织之间的弹性模量差距越小， 植入物对骨组织造成豁损坏程度藏越夺拜胡。黧此，为了减少应力屏蔽现象对骨组 织的影响，应该尽量降低钛合金的弹性模量。 优良的力学性能。生物医用钛合金材料需要优良的静态力学性能( 拉伸性 能) 。当钛合金植入人体后，必然要承受一定的应力作用，这就要求材料具有一 定的强度和塑性。另羚，钛合金还需要具有优良的动态力学性能( 疲劳性能) 。对 临床植入金属材料失效的分析可知，材料大部分失效断裂方式为疲劳断裂，所以 提高材料的疲劳强度也显得十分重要。 表1 1钛合金亿元素的毒性 t a b l el 一1t h et o x i c 时o fe l e m e n ti nt i t a n i 帅a l l o y 1 3 生物医用钛合金材料的发展 3 第一章文献综述 1 3 1 生物医用钛合金的发展现状 钛及其合金进入生物医用金属材料领域的时间较晚，但是由于钛合金比强度 高，弹性模量较低，综合力学性能优良，而且具有比不锈钢和钴铬合金更加出色 的生物相容性和耐腐蚀性，而迅速得到了广泛的关注和应用i l 川。 医用钛合金的发展可分为三个阶段，首先是以纯钛和t i 一6 a 1 4 v 合金为代表 的第一阶段，其次是以a + b 合金t i 5 a 1 2 5 f e 和t i 6 a 1 7 n b 为代表的第二阶段， 现在则进入了开发与研制具有更好生物相容性和更低弹性模量钛合金的第三阶 段，即d 钛合金阶段。 纯钛应用于生物体始于2 0 世纪中叶的美国和英国。纯钛在生物体环境中有良 好的耐腐蚀性能，但其强度较低，耐磨性能较差，不能用在承载较大部位，主要 用于口腔修复及承载较小的骨替换【i8 | 。相比之下，t i 6 a 1 4 v 合金具有较高的强 度和良好的加工性能，这种合金最初是为航天应用设计的，在7 0 年代后期被广泛 应用于外科修复领域：如髋关节，膝关节等。同时，t i 3 a l 一2 5 v 也在临床上被用 作股骨和胫骨替换材剃1 9 】，但这类合金的耐腐蚀性相对较差。 出于对v 潜在毒性的关注和提高材料耐蚀性能的考虑，从2 0 世纪8 0 年代开始 进入以t i 5 a 1 2 5 f e ( 德国) 和t i 6 a 1 7 n b ( 瑞士) 合金为代表的a 邯合金时代mj 。我 国西北有色金属研究院研制的新型医用钛合金t i 3 a 1 2 m o 2 z “t a m z ) ，与 t i 6 a 1 4 v 相比具有高韧性、高耐腐蚀性、良好的疲劳性能、易成型、无v 元素等 优点，并且经实验研究表明，t a m z 合金不会引起细胞毒性和急性溶血反应，具 有与纯钛类似的良好细胞相容性和组织相容性，优于t i 6 a i - 4 v 合金1 2 。类似的 合金还有t i 6 a 1 6 n b 1t a 和t i 5 a 1 3 m o 4 z r 等【2 。该类合金以无毒元素n b 、f e 代 替有毒元素v ，消除了v 元素对人体的毒性副作用。虽然这些新型a 邯合金具有 较好的力学性能和耐腐蚀性能，但仍存在诸多不足，例如仍含有细胞毒性元素 a l ；与人体骨骼的弹性模量仍存在很大差距( 约为4 10 倍) ，生物活性和骨传导性 低等。 为了进一步降低合金元素的细胞毒性、弹性模量，提高生物力学适应性，改 善植入物与自然骨骼之间的界面问题，适应临床对植入材料提出的更高要求，研 究人员进行了大量新型p 及近d 钛合金的研究工作。 9 0 年代初期，o k a z a k i 【2 l 1 1j 等开发的t i 15 s n 4 n b 2 t a 一0 2 p d 一0 2 0 和t i 一15 z r 4 n b 4 t a 0 2 p d 0 2 0 o 0 5 n 合金具有优异的耐蚀性和腐蚀疲劳强度，其中o 2 0 和0 0 5 n 的添加提高了材料室温下的力学性能和腐蚀疲劳强度。与t i 6 a 1 4 v 相 比，后者具有很好的细胞相容性，但是p d 、s n 仍非完全生物相容。t i 1 3 n b 一1 3 z r 合金是由美国s m i t h & n e p h e wr i c h a r d s 公司于9 0 年代初研制的近p 钛合金，经研 4 第一章文献综述 究发现，此合金不仅弹性模量( 7 9 g p a ) 低于纯钛耱t i 6 a l - 4 v ，耐蚀性能好，蔼且 不含链簿有毒元素，完全生物褶容 2 2 弱l 。曩15 m o 是由美图s v n 锈e s 公司予年代 初开发的d 钛合金，此后又相继发展了t i 1 5 m o 3 n b 和t i 1 2 m o 6 z 卜2 f e 等合金 1 24 | 。两者弹性模爨较低、强度较高，并有较高断裂韧性、较好耐磨性和优秀抗腐 蚀性，是一种综合性能良好的涯稳定多型生物钛合金。另外，美国又桷继开发 出近p 型的t i 3 5 z r - l o n b 、瓢1 6 n b 1 0 h f ，近稳b 型的t i 4 0 t a 、t i ，5 0 t a 、 t i 3 5 3 n b 5 1 t a 4 6 z r 、t i 3 5 n b 5 1 t a 7 1 z 卜o 4 0 等合金弘) l 。 薹。3 。2 国内外糯型型钛合金的研究进展 b 稳定元素n b 、t a 、z r 等不仅能够提高钛合金的强度，降低材料的弹性模 量，褥且具有很好的耐蚀性，没鸯毒性和致癌性，不会弓| 发过敏反应l ，2 2 ，2 6 j 。由 予通过添加n b ，弧，z r ，s n 等元素获得的钛合金与疆钛合金和馐+ 多钛合金 相比，不仅具有良好的综合力学性能、生物耐蚀性和生物相容性，而且具有更低 的弹性模量，无过敏问题，因而近年来受到网内外研究人员广泛的关注。 在国内，于振涛汪7 ，赘l 等人歼发出了具有自主知识产权的近圣钛会金n 醚 ( t i ，z r - s n m o - n b ) ，通过对该合金板材和棒材显微组织的观察，典型力学性能的 测试，发现t l m 具有较低弹性模量、中高强度、高塑韧性、良好耐磨性以及疲劳 强度高等优良特性，蔼典型规格材料的生产和人工关节的成功开发，进一步显现 臻t 乙m 合金同时其有优良的冷热加工性能和工艺成型性。嚣植入实验则表明，这 种新型钛合金比t i 6 a l 一4 v 合金材料具有良好的生物相容性和骨组织附着性。西 北有色金属研究院的李军【2 9 j 等人研制出成分为t i 1 2 5 z 卜2 5 n b 2 5 t a 的新合金 联烈t ，荠进行了缝织结构分析与机械性钝测试，结果表嬲虽然掰合金的抗拉强 度仅为6 9 8 m p a ，但l o o g p a 的弹性模量、1 2 5 j c m 2 的冲击韧性、2 6 的延伸率和 6 6 的断面收缩率均优于t i 6 a 1 4 v 和t i 6 a 1 7 n b ，具有更好的生物力学相容性和 更好的综合机械性能。 中国科学院沈阳金属磺究所的乙p j 等人与露本豹确i 熊。糙i 合作研究了熟处 理、n b 含量、表面修饰等对p 。t i 2 9 n b 1 3 t a 4 6 z r 合金和传统金属植入合金 t i 6 a l 。4 v 磨损特性的影响。结果两种合金的磨损特性均不受硬度和极限抗拉强 度等概摄性能的影响，丽n b 含璧的增加能在定程度上提赢这种合金的耐磨 性，氧化处理之艨由于n b 2 0 5 氧化颗粒的存在，骶2 9 n b 1 3 t a 6 z r 合金的耐磨性 得到了显著提高。在此合作的基础上，“3 1 j 等人自主研制出了t i - n b z 卜s n 系亚稳 b 型超低模量钛合金，初步研究结果表明该合金具有3 塑性变形恢复应变，弹 性模量仅为4 2 5 5 g p a ，并显在挝 孛翔载过程中弹性模量进步降低为2 7 g 豫，强 第章文献综述 度约为8 5 0 m p a ，大于人体骨骼强度( 18 0 m p a ) 。该合金经过时效处理具有高强度、 低模量、耐磨损和耐体液腐蚀等优点，可作为结构材料替代损坏的骨骼和牙齿等 硬组织。赵永康 3 2 】等人采用m t t 法对该合金进行检测，结果显示细胞在 t i n b z 卜s n 合金浸提液中生长良好，各段时间的光吸收值与对照值相近，合金对 大鼠牙龈f b 的生长没有影响。作者对比了纯钛与t i n b z 卜s n 合金的细胞黏附和 增殖实验，结果大鼠牙龈f b 在两种材料表面均贴附和增殖良好，两者没有差异。 由此可见该合金组织相容性良好，与纯钛相似。 在国外，t a d d e i 3 3 】等人利用粉末冶金法制备出t i 3 5 n b 7 z 卜5 t a 合金。作者通 过将几种元素的金属粉末混合，之后单轴、冷均匀压缩，再在9 0 0 1 7 0 0 真空烧 结，获得了具有有利于骨整合的多孔结构，其孔隙率达到5 0 。扫描电镜、x 射 线衍射和维氏硬度测量结果表明，低温烧结时，随着p 稳定元素的开始溶解， 首先形成了a + p 中间过渡相，当高温下难熔金属元素n b 、t a 的溶解量增加，p 相 区逐渐变得稳定，当温度超过15 0 0 时，钛基体中的合金元素完全溶解，达到 1 7 0 0 时，整个样品全是均匀的p 相多孔显微结构，硬度仅为3 5 0 h v 。e 1 i a s l j 4 j 等以工业纯t i 、n b 、z r 和t a 为原料，通过电弧熔化法制备出d 型 t i 3 5 3 n b 5 1 t a 7 1 z r 合金和t i 4 1 1 n b 7 1 z r 合金。所获得的坯料先后经过固溶处 理( s t l o o o 2 h ) + 水淬( w q ) 、模锻冷加工、再s t ( 10 0 0 2 h ) + w q 三道工序，光 学显微镜和扫描电镜显示，经一次s t + w q 和二次s t + w q 的试样均存在p 相和 相，两种合金都拥有低于传统钛合金的弹性模量( t n t z 6 3 g p a ，t n z 6 5 g p a ) ， 其极限抗拉强度分别为5 5 0 m p a 和4 9 0 m p a ，硬度达到1 9 0 h v 和1 6 9 h v ，适合生 物医学应用。 日本丰桥技术科技大学的n i i n o m p 珀j 等人长期从事由无毒元素( 如n b 、t a 、 z r 、m o 、s n ) 组成的，具有更低弹性模量和更高强度的新型生物医用合金的开发 与研究，取得了长足的进展和巨大的突破。他们根据d 电子合金设计理论，设计 了成分为t i 2 9 n b 1 3 t a 4 6 z r 、t i 1 洲b - 1 3 t a 一4 m o 、t i 2 9 n b - 1 3 t a 、t i - 2 9 n b - 1 3 t a 4 m o 、t i 2 9 n b 1 3 t a 2 s n 、t i 2 9 n b 1 2 t a 6 s n 等d 钛合金，这些合金与已被用作 植入材料的t i 6 a 1 4 ve l i 相比具有更低的杨氏模量，利用某些热处理工艺( 固溶 和时效) 可以获得合适的拉伸性能，特别是t i 2 9 n b 1 3 t a 4 6 z r ( t n t z ) ，其抗拉强 度和延伸率与那些已用作植入材料的传统钛合金相当，甚至更高。n i i n o m 7 j 进 一步研究了t n t z 的疲劳性能和细胞毒性，发现合金在10 6 3 k 固溶处理3 6 k s ，紧 接着在6 7 3 k 时效处理2 5 9 2 l ( s 后，p 相、针状和棒状的d 析出相和少量的析 出相均匀分布在整个试样中，由于此时效处理方法析出了a 相和相，合金 的疲劳强度比用其它时效处理参数所获得的合金高很多，其疲劳极限达到 7 0 0 m p a ，为所有时效处理合金中最高。t n t z 合金的杨氏模量比t i 5 a 1 4 ve l l 6 第一章文献综述 低得多，其细胞毒性与纯钛相当，综合来看，该新型b 合金有望在生物医用领 域得到应用。a k a h o r i 【3 8 】又研究了经过其它热机械处理后t i 2 9 n b 13 t a 4 6 z r 合金 的拉伸和疲劳性能，结果显示无论是固溶+ 时效还是冷轧+ 时效后的t n t z 合金， 其拉伸强度和杨氏模量均随着时效温度的升高而降低，而疲劳强度和延伸率却随 着时效温度的升高而增大。p 相中含有相或p 相中含有a + 相的t n t z 其抗拉强度大于1 0 0 0 m p a ，所有处理后的合金当中只经固溶处理的t n t z 拥有最 低的杨氏模量( 约6 0 g p a ) ，特别是冷轧后经过7 2 3 k 时效处理2 5 9 2 k s 的t n t z 合金， 在低周循环疲劳寿命和高周疲劳寿命期间均具有最大的疲劳强度( 疲劳极限约为 7 7 0 m p a ) ，几乎等于经时效处理的热轧t i 6 a 1 4 ve l i 的疲劳强度。s a k a g u c h p j 等研究了不同n b 含量t i n b t a z r 系合金的变形行为，发现经退火后空冷的 t i 2 0 n b 1 0 t a 一5 z r ( t n t z 2 0 ) 和t i 2 5 n b 1 0 t a 5 z r ( t n t z 2 5 ) 合金在第一次卸载和第 二次加载期间的加载卸载拉伸应力应变行为与那些具有形状记忆效应 的亚稳b 型钛合金相似，而t i 3 0 n b 1o t a 5 z r ( t n t z 3 0 ) 合金的弹性变形行为虽然 不服从胡克定律，但是根据应力应变曲线却没有发现有应力或应变诱发马氏 体相变发生，另外t n t z 2 5 的变形机理与其微观组织有关，由于退火+ 空冷后含有 相和b 相，因而同时发生了应力诱发马氏体相变和位错迁移，而退火+ 水淬 后只含有b 单相，因而在屈服之前只发生了应力诱发马氏体相变。n i i n o m i 【4 u j 等又利用x 射线衍射对生物医用t n t z 系p 钛合金的非线性超弹性行为机理进 行了深入研究，获知与无载荷条件相比，加载条件下t t n t z 2 5 、t n t z 3 0 、t n t z 3 5 的x 射线衍射峰均向更高衍射角偏移，对于t n t z 3 0 合金，即使当弹性应变达到了 具有最小弹性极限晶向的弹性极限值之后，此晶向发生滑移变形，其弹性变形仍 在不同晶向上持续进行，杨氏模量在应力应变超过比例极限后明显降低，从而证 实了t n t z 3 0 的弹性变形行为并不服从胡克定律。t a n e 【4 1 j 等以p t n t z 合金的单 晶体作为研究对象，发现多晶合金的杨氏模量具有明显的各向异性， 晶向 族的弹性模量为各晶向族中最小，其中t i 2 9 n b 1 3 t a 4 6 z r 合金由于自身低的剪 切模量c ，和体积模量b ，e 删仅3 5 g p a ，接近人体皮质骨的杨氏模量。除此之外， n i i n o m i 【4 2 】等在t n t z 合金的基础上为牙科应用设计开发了低熔点p 新合金 t i 2 9 n b 1 3 z 卜2 c r 、t i 2 9 n b 1 5 z 卜1 5 f e 、t i 2 9 n b 1 0 z r - 0 5 s i 、t j 一2 9 n b 1 0 z 卜0 5 c r 0 5 f e 和t i 2 9 n b 18 z 卜2 c 卜0 5 s i 合金。作者用6 稳定元素c r 、f e 、s i 取代了难熔 元素t a ，使得合金的熔点比t i 2 9 n b 1 3 t a 4 6 z r 下降了5 0 3 7 0 k ，合金的维氏硬度 也比t n t z ( 5 6 0 h v ) 小，在4 0 0 5 0 0 h v 之间。尤其是t i 2 9 n b 13 z 卜2 c r 合金，不 仅熔点最低( 2 0 5 0 k ) ，细胞相容性良好，而且具有接近子丁n t z 的强韧平衡，将 会成为最值得期待的下一代牙用钛合金。 n a g 蚓等对两种新型整形外科用合金t i 3 4 n b 。9 z 卜8 t a 和t i 1 3 m o 7 z r - 3 f e 的 第一章文献综述 显微结构转变和强化机理进行了对比。在经过均匀化处理的情况下，两种合金的 显微组织都是主要由b 母相、晶界a 析出相和少量晶内粒状a 析出相构成， 6 0 0 时效4 h 后，从两种合金的b 母相中均匀析出了极细小的次生a 相。但是 在时效处理之后，t i m o z 卜f e 合金的硬度略微增大时，相反t i - n b - z r - t a 合金却 显著减小。作者通过对合金时效前后的透射电镜研究发现，原本在t i - n b z 卜t a 合金中存在的亚稳态b 2 有序列经过时效处理后因发生相变而被破坏，结果导致 合金硬度减小，而t i m o z r - f e 合金在均匀化或时效处理条件下都不存在b 2 有序 列。g e e t h a 【4 4 】等人对t i 1 3 n b 1 3 z r ，t i 2 0 n b 1 3 z r 和t i 2 0 n b 2 0 z r 三种合金先后在 a + d 相区进行热轧，接着分别在p 相区和a + p 相区固溶处理，最后在不同温 度下时效相同时间，通过x 射线衍射分析、光学显微镜和扫描电镜观察，最终得 到了等轴晶显微组织。a b d e l - h a d y l 4 5 j 等研究了合金元素z r 对p t i - z 卜n b 合金b 相稳定性的影响，通过计算和实验均发现，作为p 合金中的p 稳定剂，z r 元素 的添加在很大程度上改变了p 相的稳定性，z r 元素的p 稳定作用还与合金中p 稳定元素n b 的含量密切相关，随着n b 含量的增加其稳定效果随之变强。 o k a z a k i 【4 6 】等将无v 新型t i 1 5 z r - 4 n b 4 t a 合金植入到小鼠胫骨中6 4 8 周，对骨髓 中的植入体周围新生骨的形成、植入后钛合金的表面分析以及含有新生骨的干燥 骨组织中的金属元素浓度进行了研究。结果发现骨髓中的植入体周围很好地形成 了新生骨，植入后2 4 周之前，新生骨组织不断变厚，从2 4 周到4 8 周，新生骨的平 均厚度变化却非常小，与t i 6 a l 一4 ve l i 植入体表面腐蚀坑的数量相比，新合金稍 微少点儿，与无植入体的骨组织相比，含有新生骨的干燥骨组织中的合金元素浓 度略微增加。 从长远考虑，作为植入体以替换硬组织的结构生物材料，不仅需要有高的强 度和长的疲劳寿命( 即高的疲劳强度) ，良好的塑性、耐磨性、疲劳韧性和磨蚀疲 劳性能，而且需要有接近于皮质骨的低的杨氏模量以抑制骨吸收，如今还需要有 超弹性和形状记忆效应等功能特性。在所有这些与力学生物相容性相关的性能当 中，杨氏模量和功能特性是至关重要的，也受到了当今相当多的关注l 4 7 | 。 p 钛 合金与t i 6 a 1 4 v 合金相比，不仅具有优良的综合力学性能，更低的弹性模量和 特殊的功能特性，而且合金与生物体的相容性大为改善。因此，无毒性元素组成 的生物医用6 钛合金，将会作为一种很有前途的新型结构生物材料，在生物医 用领域尤其是硬组织修复与替换领域，得到广泛应用。 1 4 钛合金的表面活性化 随着各种新型医用钛合金的问世，钛合金在生物医学领域中的应用会越来越 第一章文献综述 广泛。但是，尽前已研制开发出的各种钛合金均存在不同程度的缺陷，还没有一 种麓够完全满足临床使用的所有要求。总体说来，主要存在以下几方面的问题： ( 1 ) 耐磨损性能相对较低。与不锈钢、镍基合金等许多其他医用金属材料相比， 钛合金的摩擦系数较大，耐磨性能较差，这使得其植入体因磨损而产生碎屑，这 些蘑属可以弓| 起无菌松动，最终导致关节置换失败。国瑟董腐蚀性畿有待迸一步 提高。金属材料的耐蚀性能将盥接影响到其生物相容性。在正常条件下，钛合金 的表面会生成一种十分稳定而连续的、结合牢固的氧化物钝化膜，因此通常具有 良好的耐蚀性能。但由于人体环境的复杂性，在外力和体液的侵蚀下，表面钝化 膜有可能被剥离、溶解，因蓝在使用过程串仍w 能会有物质释放到组织中。( 3 ) 生 物活性尚不理想。钛合金是一种生物惰性材料，虽然与骨之间具有良好的生物相 容性，但其结构和成分与骨组织截然不同，通常不能像生物活性材料那样与宿主 骨形成纯学键性结合，即新生骨盏接在种植体表嚣形成，随磊直接长入种植体内； 而鼠，由于钛合金与骨组织的弹性模量存在差异，种植体生物力学相容性欠佳， 易产生应力集中和骨吸收等不良后果1 4 8 ，4 9 1 。 为了提高医用钛合金的各种性能，可以从随方面入手：是从材料本体着手， 如前所述开发各种性能优异的颜型钛合金，梵其是钛合金；二是从材料豹表 面入手，采用各种表面处理的方法对钛合金进行表面活性化改性，从而使其更适 合于医学应用的婺求。对钛合金进行表面改性，既保持了钛合金作为基体材料的 一系列品质，又使缮钛合金的综合性能获得大幅度的改善，因此，近年来成为医 用钛合金领域的研究热点。 1 4 1 表面改性方法 所谓钛合金的表面改性，是指利用各种机械、物理或化学方法改变材料的表 面形态，或添加异种成分使金属材料表面合金化、陶瓷化绒生物化，改善钛合金 的生物活性，实现骨性结合，并降低弹性模量，提高生物力学适应性，以改善种 植体与富然骨骼之间的赛瑟闯题。 生物材料的整体特性，如无毒性、耐蚀性或可降解性、低模量和疲劳强度， 长期以来被认为是与为特殊的生物医用选择合适的生物材料密切相关。材料作为 种植体植入后会鹚现一些闻题，包括生理环境与人造材料表面的相互作照，生理 反应的排斥，还裔来自于不同身体的特殊反应。材料的表面在生理环境和人造医 疗器械的反应当中扮演着极为重要的角色。对于生物医用钛植入体，正常的加工 制造步骤常常会导致表面氧化、污染层的形成，并且表面层经常存在应力、塑性 变形、不均匀性。这种天然的袭嚣无疑不适合生物医焉，必须进行表蘑处理。对 9 第一章文献综述 表1 2钛及其合金植入体的表面改性方法概述 1 h b l e1 - 2o v e r v i e wo fs u r f a c em o d i 矗c “o nm e t h o d sf o rt i t a n i u ma n di t sa l l o y si m p l a n t s l o 第一章文献综述 医用钛植入体进行表面改性的另一个重要原因是，材料常常需要有不同于材料整 体特性的特定表面性能。例如，为了实现生物整合，必须具有良好的骨形成性。 在与血液接触的器械中，如人造心脏起搏器，血液相容性至关重要。在其它的应 用当中，则需要有好的耐磨性和抗蚀性。选择合适的表面改性技术，不仅可以保 留钛及其合金优异的整体特性，如相对低的弹性模量、良好的疲劳强度、成形性 和机械加工性，而且能够根据不同的临床应用来提高特定的表面性能。根据不同 的临床应用，现已提出了各种表面改性方法，如表1 2 所示f 5 0 1 。 在上述钛合金的表面改性方法中，等离子喷涂、离子注入、电化学沉积、溶 胶凝胶、激光熔覆等物理化学方法，其涂层的制备条件都与人体环境的条件相 差很大，制备出来的生物涂层其成分与生物骨磷灰石有较大差距，这就导致植入 骨在体内长期性能的不确定性因素增多，材料的重复性较差【5 1 1 。 近几年发展起来的仿生生长法，模仿了自然界生理磷灰石的矿化机制，具有 许多其它方法无可比拟的优越性：首先，仿生磷灰石层沉积于类似人体组织内环 境条件，其成分更接近人体的骨无机质，可望具有高的生物相容性和骨结合 能力；其次，仿生法在低温下进行，可避免高温过程引起的相变和脆裂，有利于 增强基体金属和陶瓷涂层之间的结合力；第三，在低温下进行，又可为共沉积蛋 白质等生物大分子提供可能性；第四，利用仿生技术可在形状复杂和多孔的基体 上形成均匀的涂层；另外仿生法还具有所需设备简单、操作方便、沉积工艺易控 制、费用较低等特点1 5 。 仿生生长法要求先配制一种与人体体液组分相似的溶液( s i m u l a t e db o d y f l u i d ，简称s b f ) ，然后将经过碱热处理、酸碱处理、h 2 0 2 处理、溶胶凝胶法、 阳极氧化法、自组装单分子层法等预处理并表面官能团化的基体置于此溶液中， 模拟生物环境，在基体表面上生长钙磷层。由于操作简单，费用低廉等许多上述 优点，已引起了许多研究者的关注。 1 4 2 二氧化钛( t i 0 2 ) 由于表面氧化物的存在，钛及其合金具有许多有利的性能。对于钛及绝大多 数钛合金，其极好的化学不活泼性、耐蚀性、再钝化能力、甚至和生物相容性， 都认为是源于仅有几纳米厚的氧化钛薄膜的化学稳定性及其结构。 1 4 2 1 表面t i 0 2 的结构和性质 众所周知，钛及其合金暴露在空气中，会在表面自发形成天然的氧化膜。室 温下自然生长于纯钛上的氧化膜的特征如示意图1 3 所示，并总结如下【5 0 】： ( 1 ) 这层无定形或纳米晶状的氧化膜是典型的3 7 n m 厚，主要由稳定的氧化 第一章文献综述 物t j ( b 组成。 ( 2 ) 啊0 2 t 1 界面的。用浓度比从t 1 0 2 薄膜的2 】逐渐向本体内的更低比变 化。 ( 3 ) 氢氧基和化学吸附的水分子与”阳离子键合，导致对表面上水分子的物 理吸附限制的弱化。另外，一些诸如碳氢化合物的有机物吸附在表面， 金属有机体如钛的醇盐和羧酸盐也存在于最外面的表面层。金属 有机体的浓度不仅依赖于象清洁度等表面状况，而且依赖于暴露在 空气中的时间以及贮存过程中的气氛性质。 “ “f0 _ t p l v 】0m 图1 3纯钛表面氧化膜的示意图 f 1 9 l 一3 s c h e m a t kv l e w 。f t h eo x i d en i mo “p u 他t i n n i u m 纯钛及其台金具有出色的生物相容性主要归功于表面附着的氧化层。钛表面 氧化层的主要优点是：t 1 0 2 具有较低的固有毒性：t i ( f v ) 0 2 在水中的溶解度很低： t l ( i v ) ，与生物分子的反应活性很低，接近化学惰性过氧化物化学现象具有明 显的抗炎作用”j 。 钛及其合金具有较小的组织反应，化学不活缓，首先是由于t j 0 2 在水溶液中 呈弱酸性，钛生物分子络台物的反应很难进行，其次还与t i 0 2 具有较高的介电常 数有关。t i 0 2 在室温下以板钛矿、锐钛矿和金红石几种形式存在，这三者的介电 常数均较大，分别为7 8 、4 8 和】o k h z 。其平均介电常数与水接近，这表明钛及其 台金在水溶液中园极化而产生的静电力较小。当表面介电常数明显不同于水时， 第一章文献综述 蛋白质分子就会在因极化作用产生的静电力的作用下向种植体表面靠近，也就是 说，在体内环境下，钛种植体表面吸附蛋白质分子的几率较小1 14 1 。 另外，t j 0 2 的等电位点对钛及其合金在生物体内的行为也有很大的影响。 t i 0 2 的等电位点大约为5 6 7 ，稍低于生理环境的p h 值( 7 4 ) ，这表明在生理环 境下，钛及其合金表面会带微弱的负电荷。大量的体外及体内研究表明这种带有 负电荷的表面对于种植体与周围活体骨之间产生骨性结合有密切关系。体液中的 钙离子将在库仑力的作用下与t i 0 2 表面的负电荷结合，而表面的o h 。将通过氢 键吸引p o 。 向表面聚集，表面钙和磷酸根离子的富集使得体液相对于羟基磷灰 石的局部过饱和度增加，当过饱和度大于磷灰石非均质形核所需要的临界值时， 磷灰