1.2 鈦及鈦合金

1.2.1 鈦及鈦合金簡介

鈦（Ti）在地殼中的分布較為廣泛，是排在第十位的元素，世界儲量約為34億t，其熔點為1668℃，密度為4.51g/cm3。鈦具有兩種同素異構體，在882.5℃以下呈密排六方結構（α相），具有較高的耐蝕性，而在高于882.5℃時為體心立方結構（β相），具有較低的彈性模量。鈦及鈦合金具有良好的生物相容性、無毒性、無磁性等優點，因而被用作繼醫用不銹鋼（316L）以及鈷鉻合金（CoCr）之后的第三代生物醫用植入體材料。常見硬組織植入體材料性能對比見表1-2。與醫用不銹鋼以及鈷鉻合金相比，純鈦具有與人體骨組織更為接近的密度以及彈性模量。較為適宜的彈性模量可以有效地減弱載荷傳遞過程中的應力集中現象，將“應力屏蔽”效應所帶來的植入體周圍組織的骨吸收、骨壞死等風險降到最低。但是，純鈦本身的耐蝕性、耐磨性較差，而作為植入體服役期間，不可避免地與人體液接觸，并做一定的相對運動[7，21]。采用合金化的方法，可以使得純鈦的綜合性能得到改善。目前生物醫用鈦合金主要以四種α相的純鈦（TA1、TA2、TA3、TA4）以及（α+β）兩相鈦合金Ti-6Al-4V為主，兩類材料占到鈦植入體市場的80%以上。Ti-6Al-4V中Al和V的加入，使得合金的疲勞強度、耐磨性、耐蝕性都有所提高。然而，有文獻報道，Al元素可以引起骨質溶解、貧血以及神經紊亂等癥狀，而V可以影響新陳代謝，其毒性超過Cr和Ni[22-24]。因此，研究者嘗試逐漸減少Ti-6Al-4V合金中這兩類元素的含量，并最終完全替代為無毒性的β相形成元素（如Nb、Zr、Ta等）。與（α+β）型鈦合金相比，β型鈦合金不僅具有更加優異的生物相容性，其強度、韌性也有所提高，加工性能更好。

1.2.2 鈦合金的應用

自20世紀50年代英國和美國首次將工業純鈦應用于生物體以來，鈦及鈦合金在生物材料領域發展迅速，開始大規模地成為硬組織替代材料。目前，將鈦及鈦合金作為植入體材料進行商品化應用的高校及科研院所眾多。國外的日本國立物質材料研究所、澳大利亞昆士蘭科技大學、德國德累斯頓工業大學以及美國生物材料公司在該領域處于較領先地位。國內的四川大學、北京有色金屬研究總院、西北有色金屬研究院以及中科院上海硅酸鹽研究所也相繼開發了一系列的產品并投入了臨床應用。北京有色金屬研究總院下屬有研新材料股份有限公司利用純鈦以及具有形狀記憶效應的NiTi合金，研制了消化道支架、血管支架、口腔正畸材料以及漏斗胸矯形器等[25-26]。四川大學研制的產品包括：①由表面沉積了具有生物活性的羥基磷灰石（HA）涂層的鈷鉻合金、Ti-6Al-4V以及聚乙烯材質構造的人工髖關節；②表面沉積了羥基磷灰石涂層鈦基（以TA4或Ti-6Al-4V為基材）牙種植體；③用于進行電泳沉積、熱噴涂以及物理氣相沉積HA的粉料。另外，作為國家生物醫學材料工程技術研究中心的重點支撐單位，四川大學起草了多個相關產品的國家標準及行業標準。

1.2.3 鈦及鈦合金存在的問題

鈦及鈦合金彌補了醫用不銹鋼及CoCr合金生物相容性的不足，同時密度、彈性模量均有所降低，但其仍存在一些問題，需要引起研究者的關注。

1．自身不具有抗菌性

鈦及鈦合金本身并不具有抗菌性，而在植入人體后其表面吸附的粘連蛋白與纖維蛋白會構成一層蛋白膜，該蛋白膜為病原體的黏附創造了有利條件，使細菌在植物體表面不斷繁殖，形成生物膜。這些細菌中常見的如金黃色葡萄球菌、大腸桿菌等往往有很強的耐藥性，會持續導致植入體感染[27-29]。而植入體感染一旦發生，通常意味著植入失敗，嚴重時會危及患者生命。

2．生物活性不足

鈦及鈦合金生物活性不足，不能誘導羥基磷灰石形成。而羥基磷灰石是人體骨組織中無機質的重要組成部分。良好的生物活性可以進一步促進骨整合，使得新骨與植入體表面結合牢固。

3．耐蝕性有待進一步提高

鈦及鈦合金在自然環境中會與含氧介質接觸，生成一層致密的鈍化膜，因此具有一定的耐蝕性[30-31]。然而由于在實際植入體應用時，各構件之間，構件與自體骨之間，會不可避免地產生一定的相對運動，而自然形成的鈍化層較薄，很容易被劃穿、剝落。同時，人體內復雜的生理環境以及高氯離子體液，也對植入體耐蝕性提出了更高的要求。

4．耐磨性差

植入體在服役期間，由于存在相對運動，因此對耐磨性也有一定要求。耐磨性較差會在植入體接觸處產生較多的磨屑，過多的磨屑會產生炎癥，從而給患者造成一定負擔[32-33]。