生(sheng)物(wu)医用(yong)材料作(zuo)为一(yi)类先进(jin)多功能材料可用(yong)于诊断(duan)、治疗(liao)、修复或(huo)替(ti)代(dai)人(ren)体(ti)组织、器(qi)官或(huo)增(zeng)进(jin)其功能(neng)，
其独特(te)疗效(xiao)为(wei)药(yao)物(wu)不(bu)可(ke)替(ti)代。从(cong)医(yi)用(yong)钛(tai)合金材(cai)料(liao)的研发历(li)史和长期临(lin)床(chuang)应(ying)用反馈表明(ming)，其未来发(fa)展重点(dian)依然
是先(xian)通过研(yan)究其体外的(de)生(sheng)物(wu)相容性(xing)、力(li)学(xue)相容性等基础科学问(wen)题，最终才能(neng)实(shi)现解(jie)决(jue)或改(gai)善(shan)其(qi)体(ti)内的(de)生(sheng)物安
全性(xing)和(he)服役长(zhang)效(xiao)性问(wen)题(ti)。提高(gao)医用钛(tai)合金材(cai)料的生物(wu)及(ji)力(li)学相容(rong)性(xing)是确保其在(zai)体内长(zhang)期稳(wen)定服役(yi)并发挥持久
治(zhi)疗(liao)效果(guo)的(de)关键，也是设计(ji)和开(kai)发(fa)新(xin)型医用钛合金材(cai)料(liao)的(de)研究基(ji)础和应(ying)用目标(biao)。本(ben)文从医用(yong)钛(tai)合金材(cai)料(liao)合(he)金(jin)
设(she)计、物(wu)理冶(ye)金(jin)、材料(liao)加(jia)工、组织与(yu)性(xing)能(neng)、表面改(gai)性(xing)、先进制(zhi)造及(ji)临(lin)床应用(yong)等(deng)诸(zhu)方(fang)面(mian)进(jin)行(xing)了(le)综(zong)述，并介(jie)绍(shao)了
作者(zhe)研(yan)发团(tuan)队(dui)的(de)最新进展，展望(wang)了未(wei)来(lai)发(fa)展趋(qu)势(shi)及待解决的问题。
1、 合(he)金化(hua)设计(ji)及新型(xing)合(he)金(jin)材料(liao)开发(fa)
目前(qian)市场(chang)上外科(ke)植(zhi)入(ru)物(wu)和矫形(xing)器械(xie)常(chang)用的金属(shu)原材(cai)料(liao)主(zhu)要(yao)包括(kuo)不(bu)锈钢(gang)、Co-Cr基合金(jin)和(he)钛(tai)合金3大(da)类，约(yue)
占(zhan)整个(ge)生(sheng)物材料(liao)产(chan)品(pin)市(shi)场(chang)份(fen)额的 40%左(zuo)右[1]。
钛(tai)合金具有密度小、比(bi)强度高、生(sheng)物及(ji)力学(xue)相(xiang)容(rong)性(xing)较(jiao)好(hao)及(ji)易加(jia)工(gong)成(cheng)型等(deng)特点(dian)，已发展(zhan)成(cheng)为一(yi)类量大面(mian)广
的中高端(duan)外(wai)科植(zhi)入物用的主要原材料(liao)。从(cong)钛(tai)合(he)金牙(ya)种(zhong)植体、人(ren)工关节等骨科(ke)硬组织修复替代到冠(guan)脉支(zhi)架(jia)等(deng)血
管(guan)及(ji)软(ruan)组(zu)织(zhi)微创(chuang)介入等高(gao)端金属器(qi)械(xie)产(chan)品(pin)的里(li)程碑式(shi)的应用(yong)至今，对(dui)其(qi)远期(qi)疗效暴露出(chu)的各种(zhong)失效(xiao)问(wen)题促使(shi)
人们(men)不(bu)断优化(hua)和(he)改(gai)良传(chuan)统(tong)的医用(yong)钛(tai)合金(jin)材(cai)料，同(tong)时积(ji)极研究(jiu)和开发新型(xing)优(you)良的(de)医用钛(tai)合(he)金(jin)材(cai)料。
1.1 医(yi)用(yong)钛合金材(cai)料(liao)的研(yan)发(fa)概(gai)述
钛合(he)金(jin)在生(sheng)物医(yi)学领(ling)域(yu)的(de)研究可追(zhui)溯到上(shang)世纪(ji)40 年代(dai)初期，Bothe 等(deng)[2]和(he) Leventhal[3]通过动物实(shi)
验最(zui)先证(zheng)实了纯 Ti 的(de)良(liang)好(hao)生物(wu)安(an)全性(xing)；上(shang)世纪(ji) 50~60年(nian)代(dai)，不锈(xiu)钢和(he)Co-Cr合金(jin)得(de)到(dao)广泛应(ying)用，而具(ju)有(you)中
低强(qiang)度(du)的α型(xing)钛(tai)合(he)金(jin)包(bao)括纯(chun)Ti和Ti3A12.5V钛合金(TA18)开(kai)始(shi)在口腔(qiang)种(zhong)植体等承(cheng)载(zai)较(jiao)小的(de)骨齿(chi)科部位获得(de)开
发和(he)应(ying)用尝(chang)试[4,5]。上世纪(ji)70年(nian)代后期，航空用(yong)具有中高(gao)强度(du)的两(liang)相(xiang)钛(tai)合(he)金(jin) Ti6A14V (α+β型，TC4、
TC4ELI)开始(shi)移植(zhi)到医学领(ling)域并迅(xun)速获(huo)得推(tui)广(guang)应(ying)用[6~9]。随着(zhe)钛(tai)合(he)金(jin)在临(lin)床应用(yong)的(de)不断(duan)深入，临(lin)床(chuang)医(yi)生(sheng)在(zai)实(shi)
施TC4钛合(he)金人工(gong)髋(kuan)关(guan)节(jie)翻(fan)修手(shou)术时发(fa)现(xian)其生(sheng)物(wu)学和(he)生物(wu)力(li)学性能不尽(jin)人(ren)意。上(shang)世(shi)纪(ji) 90年(nian)代(dai)中期，瑞(rui)士和(he)德
国(guo)先后开(kai)发(fa)出(chu)以 Nb 和 Fe 分(fen)别替(ti)代 V 的新型(xing)医(yi)用两相钛(tai)合金 Ti6Al7Nb (TC20)和Ti5Al2.5Fe (TC15)
[10,11]；但是随(sui)后(hou)发(fa)现(xian)上(shang)述 2 种合金在(zai)生(sheng)物安(an)全性、生物力学(xue)相容(rong)性和加(jia)工成型性等方面(mian)仍有(you)缺(que)陷
(Ti5Al2.5Fe 合(he)金已被国(guo)际医(yi)学(xue)标(biao)准废弃(qi))，且它(ta)们(men)较(jiao)高的弹(dan)性(xing)模量(liang)与(yu) TC4 钛(tai)合(he)金(jin)相当，这不(bu)利于(yu)与(yu)具有较
低(di)弹(dan)性模量(liang)的(de)骨(gu)组(zu)织(zhi)的生物力学(xue)性能(neng)相(xiang)匹(pi)配。
上(shang)世(shi)纪(ji)90年(nian)代人们开始研(yan)发(fa)不含(han)有毒元素、高强度、低(di)模(mo)量(liang)的(de)第(di)三(san)代(dai)新型β型(包括(kuo)全β型(xing)、亚稳(wen)β型
、近(jin)β型或称(cheng)富α+β型)医用(yong)钛合金(jin)，已开发成(cheng)功的(de)新(xin)型β型钛(tai)合(he)金主要(yao)包括美(mei)国(guo)开(kai)发的(de)Ti13Nb13Zr、日本开(kai)发的(de)Ti15Mo5Zr3Al、德国(guo)开(kai)发的 Ti30Ta 等(deng)合(he)金(jin)[12,13]。我国从上(shang)世纪80年代(dai)开始医用(yong)钛(tai)合金(jin)材料(liao)的(de)研(yan)究(jiu)与开
发，1999年(nian)西北有色金属(shu)研究(jiu)院(yuan)在(zai)国(guo)内首次(ci)研(yan)制出(chu)第(di)一个具(ju)有我(wo)国自主知(zhi)识产(chan)权的(de)近(jin)α型医(yi)用(yong)钛(tai)合金(jin)
Ti3Al2Mo2Zr (TA24)，2002 年(nian)研制出 2 种新(xin)型(xing)近 β型(xing)医(yi)用(yong)钛(tai)合金(jin) Ti-5Zr-5Mo-15Nb (TLE)和(he)Ti-5Zr-
3Sn-5Mo-15Nb(TLM)[14,15]。另(ling)外(wai)，中国(guo)科学(xue)院金属(shu)研究所、东(dong)北(bei)大(da)学、哈(ha)尔(er)滨(bin)工(gong)业(ye)大学、北(bei)京(jing)有色金(jin)属研(yan)
究总(zong)院、宝(bao)鸡有(you)色(se)金(jin)属加(jia)工厂(chang)等单(dan)位也开(kai)展了(le)新型(xing)β型(xing)钛(tai)合(he)金(jin)的(de)基(ji)础和(he)应用研究(jiu)。我(wo)国(guo)在医用(yong) β型钛合金
研(yan)
发(fa)方(fang)面已(yi)走在(zai)国际前列，但尚无(wu) β型(xing)钛(tai)合(he)金纳(na)入我国外(wai)科(ke)植(zhi)入物(wu)材(cai)料(liao)国(guo)家(jia)标准。
1.2 医(yi)用钛合(he)金化设计(ji)及开发(fa)
1.2.1 医(yi)用(yong)钛合(he)金(jin)化选(xuan)材(cai)设计
开(kai)展(zhan)新(xin)型(xing)医(yi)用(yong)钛合(he)金化选材(cai)设计时(shi)，合(he)金添加元素的(de)细胞毒(du)性(xing)是首(shou)要考虑(lv)因(yin)素，同(tong)时(shi)要(yao)求所添加(jia)元素对(dui)
钛合金(jin)综(zong)合力(li)学(xue)性能的不(bu)良(liang)影响(xiang)最(zui)小(xiao)。金(jin)属 Ti 具(ju)有同素异(yi)构相(xiang)转变，在 882 ℃时(shi)从低温的 α相(xiang)(hcp 结
构(gou))转变(bian)为高(gao)温(wen)的(de) β相(xiang)(bcc 结构)。根(gen)据(ju)合金(jin)元素(su)在(zai) α相(xiang)和(he) β相中(zhong)的(de)溶(rong)解度(或根(gen)据(ju)它(ta)们对(dui)相(xiang)变(bian)温(wen)度(du)的(de)影
响
)，可(ke)将其(qi)合(he)金元素大(da)致(zhi)分(fen)为(wei)α相(xiang)稳(wen)定(ding)元(yuan)素(su)、β相稳(wen)定(ding)元素(su)和(he)中(zhong)性(xing)元素(su)。目(mu)前国内外学者在(zai)进行医(yi)用(yong)钛合(he)金(jin)
化
选(xuan)材设(she)计时(shi)，主要(yao)选用对人体有益的钛(tai)合(he)金 β相稳(wen)定元素(su)Nb、Mo、Ta、Hf和中(zhong)性元(yuan)素(su)Zr、Sn以(yi)及(ji)α相稳(wen)定
元
素(su) Al、O、N 等合金(jin)元素，而(er)选(xuan)材基(ji)本原(yuan)则(ze)是根(gen)据(ju)合金元素(su)在(zai)Ti及钛(tai)合金(jin)中的(de)作(zuo)用及相(xiang)图决(jue)定的：一是(shi)利(li)于(yu)
新合(he)金形成单一均匀(yun)相(替代(dai)式(shi)或(huo)间隙式固溶体)，避免(mian)形(xing)成金(jin)属间化合物等硬(ying)质(zhi)脆性相组(zu)织；二(er)是通过影(ying)响
a+b /β相变点(dian)，有利(li)于后续的(de)加(jia)工(gong)、热处理和显(xian)微(wei)组(zu)织(zhi)及(ji)力(li)学性能调(diao)控(kong)。
目(mu)前(qian)国内(nei)外(wai)已报道(dao)的(de)各类新(xin)型(xing)医(yi)用钛合金多(duo)达(da)近(jin)百个，合(he)金设计包括(kuo)二元(yuan)系(xi)到(dao)六元系合(he)金，合金(jin)元(yuan)素(su)涉(she)
及近(jin)20个(ge)[16]。一般来讲(jiang)，α相(xiang)稳(wen)定(ding)元素Al、O、N等(deng)对钛合金的(de)强(qiang)化非常有效(xiao)，但通(tong)常(chang)降低材(cai)料的(de)塑(su)韧性(xing)并(bing)
提(ti)高(gao)其弹(dan)性模量(liang)；而Zr、Nb、Mo、Sn能够(gou)使Ti基体强(qiang)化而对塑(su)韧(ren)性(xing)的(de)不(bu)利影响较(jiao)小，同时对降(jiang)低弹(dan)性(xing)模(mo)量(liang)有(you)
利(li)。Song等[17]通过(guo)对β型二元(yuan)钛合金(jin)中添加(jia)元(yuan)素(su)的电(dian)子(zi)结(jie)构计算也同样证(zheng)实中(zhong)性(xing)元(yuan)素 Zr和(he)β相稳定(ding)元素
Mo
、Ta、Nb有(you)利(li)于降(jiang)低合(he)金(jin)的弹(dan)性模(mo)量，而α相稳定(ding)元素(su)Al可(ke)增(zeng)加弹(dan)性(xing)模(mo)量[18]，改变中(zhong)性(xing)元素Sn在TiNbSn合
金中的含量(liang)对合金低屈服应力(li)和超(chao)弹(dan)性(xing)也有(you)一定(ding)影响(xiang)[19]。针(zhen)对新型β钛(tai)合(he)金成(cheng)分多(duo)元化(hua)和力学(xue)相容性(xing)设计(ji)
要求，除了需严(yan)格选(xuan)择(ze)和(he)控制合金(jin)元素(su)特别(bie)是 β相稳定元(yuan)素及(ji)配(pei)比(bi)(重量或原子(zi)比)，特别(bie)需要关注(zhu)合(he)金多
元化(hua)后对性能的耦合(he)影响，因(yin)为已(yi)经证实 Zr、Sn、Mo、Nb、Ta 等(deng)元素(su)对(dui)多元钛(tai)合(he)金(jin)强(qiang)度(du)、塑性(xing)和模量(liang)等(deng)理(li)
化性(xing)能的(de)影响，与其在合(he)金(jin)中配比存(cun)在非(fei)线(xian)性(xing)或(huo)定量依(yi)存(cun)关(guan)系(xi)，不(bu)同元素(su)对合(he)金(jin)性(xing)能的(de)影(ying)响各不(bu)相同(tong)，力学
性能(neng)随着(zhe)合金成(cheng)分(fen)的变化显(xian)得更(geng)加复杂(za)，这(zhe)与(yu)二(er)元合(he)金(jin)的(de)影响规律不(bu)尽相(xiang)同(tong)[20]。O和(he)N等(deng)气(qi)体(ti)杂(za)质元(yuan)素(su)在提
高合(he)金(jin)强(qiang)度的同(tong)时也使(shi)得弹性(xing)模量(liang)增(zeng)大，因此通常按(an)照微(wei)量元(yuan)素来(lai)加(jia)入(ru)以(yi)调整(zheng)其塑(su)韧(ren)性及弹性允许(xu)应变[21]
。另(ling)外(wai)，Hf、Ta、Nb元素(su)虽(sui)然对合金低(di)模(mo)量化(hua)和加工(gong)塑韧性调(diao)控(kong)有利，但原材料(liao)价格昂(ang)贵(gui)、熔点较(jiao)高(gao)，不适(shi)
于(yu)低成本(ben)化(hua)钛合(he)金(jin)设计选(xuan)材(cai)。
1.2.2 医(yi)用钛合金(jin)化设(she)计(ji)方法概述
对(dui)于新(xin)型(xing)高(gao)强度(du)低模量的(de)介(jie)稳定(ding) β钛合(he)金(jin)的设计(ji)开发(fa)，当(dang)前国(guo)际上(shang)大多采用(yong) Mo 当(dang)量(liang)公式(shi)、Kb稳(wen)定化(hua)
系
数(shu)、d-电(dian)子合(he)金(jin)理(li)论、平(ping)均(jun)电子(zi)浓(nong)度(du) e/a、第(di)一性原(yuan)理(li)和(he)分(fen)子轨道(dao)理(li)论(lun)等方(fang)法进(jin)行(xing)合(he)金成分(fen)设计(ji)和(he)组织(zhi)性(xing)能
的(de)预(yu)测。此外(wai)，借(jie)助(zhu)合(he)金(jin)元素的热(re)力学(xue)和动力学(xue)参(can)数、不同(tong)相(xiang)晶(jing)格参数等(deng)建(jian)立数据(ju)库(ku)或(huo)实验(yan)模型(xing)，结(jie)合计算(suan)
分(fen)析软件和(he)方(fang)法也开发(fa)了(le)诸如(ru)[团(tuan)簇(cu)](连接原(yuan)子(zi))x结构模(mo)型、神(shen)经网(wang)络技术、模(mo)糊逻辑等(deng)方(fang)法，这些(xie)合金(jin)设(she)
计方法(fa)经实验(yan)验证(zheng)均取(qu)得了较理想(xiang)的效(xiao)果(guo)[22~25]。
Mo 当量(liang)设计方(fang)法是(shi)目(mu)前(qian)获得(de)高强(qiang)度(du)钛合(he)金(jin)最(zui)简(jian)便有(you)效的途径(jing)之(zhi)一。它主要通(tong)过事先计算(suan)出(chu)各(ge)种合金添(tian)
加元素的“Mo 当量”数(shu)值(zhi)来预测合金(jin)的相结构(gou)与力学(xue)性能：当(dang)Mo当量在0~9之间(jian)时(shi)，随Mo当量的增加(jia)，强度
相(xiang)应(ying)提(ti)高。而(er) d-电(dian)子合(he)金设计法是(shi)基(ji)于不同类型(xing)钛合金(jin)在(zai)电子(zi)轨道(dao)相图(tu)上的(de)位置(zhi)区间(jian)，以(yi)及弹(dan)性(xing)模量和(he)强
度(du)在(zai)相图(tu)上(shang)的(de)排列(lie)规(gui)律来进行(xing)医用钛合金的(de)设(she)计：其一般设(she)计(ji)准则是(shi)首先(xian)确(que)定合金具有低(di)模(mo)量(liang)的电子(zi)轨道(dao)参数，然(ran)后(hou)根据不(bu)同合(he)金元素(su)
的(de)电子轨道参数(shu)及 d-电子(zi)理(li)论(lun)，计算(suan)出合(he)金(jin)的(de)平均电(dian)子轨(gui)道参数，使之符合(he)设定的目(mu)标(biao)。目前许多(duo)新型(xing)医(yi)
用低模量(liang)β钛合金(jin)采(cai)用(yong)该(gai)方(fang)法(fa)进行合(he)金(jin)设(she)计(ji)[24]。此(ci)外(wai)，根据平(ping)均价电(dian)子(zi)数(shu)与弹性模(mo)量的(de)相关(guan)曲(qu)线规(gui)律，
当(dang)平均价电(dian)子(zi)数为 4.2~4.25 时合金模量较低，日本学(xue)者(zhe)采(cai)用此法(fa)率(lv)先(xian)开(kai)发(fa)出了(le)基(ji)本(ben)成分为(wei)Ti(Nb、Ta、V)+(Zr、Hf)+O的(de)低(di)模(mo)量β钛合金-橡(xiang)胶
金(jin)属(shu)，该(gai)合(he)金的(de)平(ping)均(jun)价电子数(shu)约(yue)为4.24，其(qi)弹(dan)性模量(liang)与(yu)人体(ti)骨(gu)接(jie)近(jin)，但(dan)强度等(deng)性(xing)能(neng)较低(di)而(er)未(wei)在(zai)外科植入(ru)物(wu)领
域(yu)获得实(shi)际(ji)应(ying)用(yong)[26]。Hu 等(deng)[23]发(fa)明的(de)新型 Ti2448(Ti24Nb4Zr7.6Sn) 钛合(he)金(jin) ，其平(ping)均价电(dian)子(zi)数
只有(you)4.15，理(li)论上(shang)并不(bu)在低(di)模(mo)量区间(jian)，但实际模量(liang)最低(di)可(ke)达 40 GPa。因(yin)此(ci)，该法(fa)对新型(xing)医(yi)用(yong)钛(tai)合金的(de)设计(ji)
不具普适性(xing)。模(mo)糊(hu)逻(luo)辑和神(shen)经(jing)网络(luo)技(ji)术(shu)的合金设计法首先都(dou)需(xu)要大量的合(he)金(jin)成分及相(xiang)应的性(xing)能(neng)数(shu)据，然后(hou)使(shi)
用(yong)模糊逻辑(ji)推理软(ruan)件或神经(jing)网(wang)络软(ruan)件(jian)建立(li)合金成(cheng)分与性能的(de)数学模型，再利(li)用其(qi)它数据(ju)进(jin)行不断(duan)修正以(yi)达到(dao)
对(dui)合金成(cheng)分优(you)化(hua)和(he)性(xing)能(neng)预测的目的，但(dan)该类设计(ji)方(fang)法(fa)目(mu)前(qian)尚(shang)不(bu)完善(shan)[22]。
1.2.3 新型(xing)医(yi)用(yong)钛(tai)合(he)金的开(kai)发
目前(qian)国际(ji)上(shang)已设计成(cheng)功(gong)的低模(mo)量医(yi)用β钛合金(jin)多(duo)达20余种 ，已(yi)被纳入(ru)国(guo)际(ji)标准的新(xin)型(xing)医(yi)用(yong)β钛合(he)金(jin)有
Ti13Nb13Zr、Ti12Mo6Zr2Fe (TMZF)、Ti15Mo、 Ti15Mo5Zr3Al和(he)Ti45Nb等(deng)，其(qi)中(zhong)前3种(zhong)是为(wei)了(le)降低(di)应力屏(ping)蔽(bi)
效应和(he)提(ti)高(gao)其生(sheng)物(wu)力学(xue)相(xiang)容(rong)性的(de)要(yao)求由(you)美国(guo)
设计(ji)开发(fa)的[27,28]。Ti15Mo5Zr3Al 是日(ri)本神户制钢(gang)在 Ti15Mo 的基(ji)础上(shang)按(an)照(zhao)提高耐蚀性(xing)和(he)强度(du)的(de)要求(qiu)进行(xing)
设计的(de)。Ti45Nb 合金(jin)起初(chu)也(ye)是(shi)由(you)美国(guo)按航(hang)空(kong)航天(tian)用紧固件等(deng)零(ling)部(bu)件的(de)要求(qiu)进(jin)行设计，随(sui)后由(you)于(yu)其高强(qiang)度(du)、
低模量和(he)耐蚀(shi)性(xing)好等(deng)综(zong)合性(xing)能而(er)被(bei)引入(ru)生物医(yi)学工(gong)程(cheng)领(ling)域[29]。随着低(di)模量(liang) β钛(tai)合(he)金(jin)的(de)不(bu)断应用，日(ri)本开(kai)
展
了大量的(de)研(yan)究(jiu)开发工作，其(qi)中日(ri)本(ben)大(da)同特(te)殊钢(gang)公(gong)司基于 DV-Xa 理(li)论采用 d-电子合金设计(ji)方(fang)法开发出(chu)了弹性(xing)
模(mo)量(liang)最低约 55 GPa 的(de) Ti29Nb13Ta4.6Zr (TNTZ)亚(ya)稳(wen)β钛(tai)合金(jin)。为(wei)了降(jiang)低(di) TNTZ 合(he)金成本和(he)弹性(xing)模(mo)量，提
高其强度及疲劳性(xing)能(neng)，Niinomi 等[30~35]又分别(bie)通过添(tian)加(jia)不同含(han)量(liang)的 O 元(yuan)素(su)和 Cr 元素以(yi)及采(cai)用大(da)塑性(xing)变
形(xing)、累(lei)积连续(xu)冷轧、变形(xing)诱发(fa)相变(bian)、热机(ji)械(xie)处(chu)理等方(fang)法(fa)来优化(hua)合(he)金的强(qiang)度、弹(dan)性模量、塑性和超(chao)弹(dan)性等(deng)综(zong)合
力(li)学性(xing)能，揭示(shi)了(le) TNTZ 合(he)金(jin)的模(mo)量(liang)随(sui)高(gao)压扭(niu)转次数(shu)或织构的(de)增(zeng)加而(er)降低(di)以(yi)及单(dan)晶(jing) TNTZ对(dui)晶体(ti)取(qu)向的依(yi)赖
性；通过(guo)提高(gao) O 含量(liang)来抑(yi)制(zhi)无热 w 相(xiang)的(de)生成，增加 Cr 元素和(he)合金冷(leng)变(bian)形(xing)使(shi)其(qi)弹(dan)性(xing)模(mo)量(liang)从 64 GPa 提高至(zhi)
77 GPa，并(bing)因(yin)此提(ti)出了(le)脊(ji)柱固(gu)定(ding)器用“自调节(jie)模(mo)量(liang)”类钛(tai)合(he)金(jin)的(de)设(she)计方法(fa)。
目前(qian)，能够达到模(mo)量(liang)自调(diao)节(jie)的新(xin)型钛(tai)合(he)金除(chu)了(le)Ti-Cr 系(xi)合金，随后(hou)又(you)开发(fa)了(le) Ti17Mo、Ti30Zr5Cr、
Ti30Zr7Mo、Ti30Zr3Mo3Cr 等合(he)金(jin)。日本科(ke)研人(ren)员设(she)计的(de)低模(mo)量(liang)钛合金(jin)大多(duo)是(shi)在 TNTZ 基础(chu)上(shang)陆(lu)续(xu)发展(zhan)的(de)，
主(zhu)要(yao)通(tong)过改(gai)变(bian)合(he)金(jin)元(yuan)素及其成分(fen)并立足(zu)低(di)成(cheng)本化(hua)理(li)念(nian)来(lai)进行(xing)设计(ji)和研(yan)究[36,37]，其应用方(fang)向(xiang)不(bu)仅仅限于(yu)生
物(wu)医学工程领(ling)域。
西北(bei)有(you)色金(jin)属(shu)研究院自上(shang)世(shi)纪(ji) 80 年代开(kai)始致力于各(ge)类(lei)医用(yong)钛(tai)合(he)金材(cai)料(liao)的(de)设计(ji)和开发，尤(you)其(qi)是在钛(tai)合金
材料的产业化应(ying)用(yong)研究(jiu)方面走(zou)在国际(ji)前列。自 1999 年(nian) 以(yi) 来 已(yi) 先(xian) 后(hou) 开(kai) 发(fa) 出(chu) Ti2.5Al2.5Mo2.5Zr
(TAMZ)、Ti3Zr2Sn3Mo25Nb (TLM)、Ti15Nb5Zr3Mo(TLE)、Ti10Mo6Zr4Sn3Nb (TB12)等(deng)多种新型医用(yong)钛合金(jin)并
均(jun)获(huo)国家发(fa)明专利。2002 年(nian)于(yu)振涛(tao)教授研(yan)发(fa)团队研(yan)制出(chu)了(le) 2 种新(xin)型(xing)介稳定 β型(xing)钛(tai)合金(jin)TLM、TLE，其设(she)计(ji)
原(yuan)则(ze)是(shi)：(1) 选择(ze)对(dui)人(ren)体(ti)无(wu)毒(du)性、可(ke)在α-Ti和(he)β-Ti中充(chong)分(fen)固溶(rong)以及较(jiao)低(di)成(cheng)本(ben)的(de)合金元素(su)，并(bing)选定Ti-Nb二
元
系(xi)作为(wei)合金(jin)设(she)计的(de)基础(chu)体系；(2) 采用 d 电子(zi)理论、Mo 当量经验(yan)公式及 Kb稳定系数相结(jie)合(he)的方(fang)法，根据
钛合金二元相(xiang)图(tu)及(ji) d 电(dian)子(zi)轨(gui)道相图计算，选(xuan)择(ze)能(neng)够(gou)产(chan)生亚稳(wen)态(tai)相变及马氏(shi)体转变(bian)而(er)使(shi)合金室温(wen)下(xia)处(chu)于介(jie)稳(wen)
定相(xiang)状(zhuang)态的设(she)计参数(shu)；(3) 依(yi)据第(di)一性(xing)原理计算(suan)了合金(jin)元素(su)Sn、Zr、Mo及其含(han)量(liang)对(dui)钛(tai)合金(jin)强度(du)、模量(liang)及马(ma)氏
体转(zhuan)变(bian)温(wen)度等因(yin)素的影响(xiang)，并预先(xian)充分(fen)考(kao)虑了(le)钛(tai)合(he)金冷(leng)、热加(jia)工(gong)成型性特(te)点(dian)，最(zui)后通过一(yi)系列(lie)工业(ye)实验验(yan)证(zheng)
而(er)成(cheng)功(gong)获(huo)得了(le)具(ju)有(you)综(zong)合力(li)学(xue)性能宽泛(fan)且可(ke)调(diao)控(kong)的新(xin)型(xing)高强度低(di)模(mo)量(liang)医(yi)用(yong)钛(tai)合(he)金，该研(yan)发(fa)团队开发(fa)的系列新型(xing)
医(yi)用(yong)钛合金的典(dian)型(xing)力学(xue)性能如(ru)表1所示。
2、 合金(jin)物理冶金学(xue)研(yan)究(jiu)
2.1 钛(tai)合金物理(li)冶(ye)金(jin)学(xue)研(yan)究概(gai)述(shu)
2.1.1 钛(tai)合(he)金的熔(rong)炼(lian)技(ji)术
钛合金的熔(rong)炼技(ji)术(shu)主要(yao)包括(kuo)真(zhen)空(kong)自耗(hao)熔(rong)炼和(he)真(zhen)空非自(zi)耗熔炼(lian) 2 大(da)类。真(zhen)空自耗熔(rong)炼(lian)设(she)备主(zhu)要包(bao)括：真(zhen)
空自耗(hao)电弧(hu)熔(rong)炼(VAR)、电(dian)渣(zha)熔(rong)炼(lian)(ESR)和(he)真(zhen)空凝壳炉(lu)熔炼(lian)(GRE)；真空(kong)非自耗熔炼设备(bei)主要(yao)包括：真空非自(zi)
耗电弧(hu)熔(rong)炼(lian)(NC)、电子束(shu)熔炼(lian)(EBM)、等(deng)离子(zi)束熔(rong)炼(lian)(PAM)等(deng)。其中 VAR 技术(shu)是(shi)工业钛合(he)金最(zui)常(chang)用(yong)的熔炼(lian)方
法，对于(yu)一(yi)些要(yao)求高洁净(jing)、低夹杂等特殊(shu)用(yong)途的(de)钛合金材料(liao)也(ye)可(ke)采(cai)用 EBM、PAM 等熔(rong)炼(lian)方法(fa)[38]。有(you)关(guan)钛合(he)
金常用熔(rong)炼(lian)技术的工艺特点(dian)和(he)参(can)数对比(bi)如(ru)表(biao)2所示。
2.1.2 钛合金(jin)的凝固(gu)行为(wei)
VAR 过(guo)程(cheng)中合(he)金的凝固组(zu)织是(shi)由(you)合(he)金的成分及(ji)冷(leng)却(que)条(tiao)件(jian)决(jue)定(ding)的，在合金(jin)成(cheng)分确(que)定(ding)之后，合(he)金(jin)凝固组(zu)织(zhi)主(zhu)
要受传热条(tiao)件(jian)控制(zhi)。VAR 钛(tai)合金铸(zhu)锭(ding)凝(ning)固组(zu)织一(yi)般包(bao)括 3 个(ge)晶区(qu)，即表(biao)层的细晶区、铸(zhu)锭(ding)外侧(ce)的柱(zhu)状晶(jing)区
及(ji)铸(zhu)锭中(zhong)心的等轴晶(jing)区，而不同(tong)晶区(qu)晶粒(li)的(de)形(xing)貌将(jiang)会(hui)影(ying)响最(zui)后(hou)铸(zhu)锭的性(xing)能[39~42]。合(he)金(jin)凝(ning)固过(guo)程中(zhong)容易(yi)发
生溶质(zhi)再(zai)分配(pei)，而化学(xue)成(cheng)分(fen)偏析(xi)是(shi)溶质(zhi)再分(fen)配的必然(ran)结(jie)果(guo)。宏(hong)观偏(pian)析(xi)主要(yao)表(biao)现在(zai)铸(zhu)锭(ding)的内(nei)外或(huo)上下(xia)各(ge)部位(wei)之(zhi)
间的(de)成分(fen)差异(yi)，其中液(ye)相长程对流对(dui)合(he)金(jin)中(zhong)的(de)宏观(guan)偏析有(you)重要(yao)影(ying)响。张(zhang)利(li)军(jun)等[43]研(yan)究了(le)高 Mo 含量β型钛(tai)
合(he)金铸锭(ding)的(de)偏(pian)析(xi)行为，认(ren)为(wei)结晶偏(pian)析(xi)可(ke)通(tong)过Ti铸(zhu)锭尺寸规格(ge)控制、中间(jian)合(he)金的种(zhong)类(lei)选择(ze)、熔(rong)炼(lian)次(ci)数(shu)和熔(rong)炼(lian)电(dian)
流(liu)的(de)精确控(kong)制、成品(pin)铸(zhu)锭(ding)的均(jun)匀化处(chu)理工(gong)艺选择(ze)等(deng)方法(fa)来(lai)进(jin)行(xing)预防(fang)，从而(er)获(huo)得成(cheng)分均匀性(xing)高(gao)、没(mei)有(you)宏(hong)微(wei)观偏(pian)
析(xi)的(de)钛合(he)金铸(zhu)锭(ding)，为(wei)后(hou)续的(de)冷(leng)/热(re)压(ya)力(li)加(jia)工(gong)奠定了(le)基(ji)础。Sakamoto 等[44]和 Leder 等(deng)[45]对(dui) α型、α+β
型
和 β型(xing)等(deng)多(duo)种典型钛(tai)合(he)金(jin)在熔(rong)炼(lian)过(guo)程中(zhong)合金元(yuan)素分布(bu)的(de)研(yan)究(jiu)发现：Cu在铸锭(ding)横(heng)截面上(shang)从(cong)铸(zhu)锭中(zhong)心(xin)到边缘(yuan)含
量(liang)
逐渐减少，在铸锭(ding)中心(xin)的(de)含量(liang)最高(gao)；Ni、Cr、Fe、Mn与 Cu 有相(xiang)同的偏析(xi)特(te)征，而(er) Mo 的分(fen)布(bu)与(yu)以上元(yuan)素
相反。Ballantyne[46]通过研(yan)究合(he)金(jin)元(yuan)素(su) Al、Fe、Cr、Ni、Si、Zr、O、N 在钛合(he)金(jin)铸锭中的分(fen)布(bu)得到
了(le)相同(tong)的宏观偏(pian)析(xi)规律。郑亚波等[47]对(dui)大规(gui)格(ge) TA13 钛合金(jin)铸锭Cu组(zu)元偏(pian)析(xi)控(kong)制(zhi)研究发现：在铸锭的轴(zhou)向
上(shang)区域，由(you)于熔(rong)炼后期补缩(suo)阶(jie)段 Cu 元素(su)的挥(hui)发，导(dao)致(zhi)铸(zhu)锭(ding)顶(ding)部(bu)的(de)Cu含(han)量相(xiang)对较低(di)；在(zai)铸(zhu)锭(ding)内部，Cu从(cong)铸(zhu)锭(ding)
中心到边(bian)缘含(han)量逐(zhu)渐减(jian)少(shao)，在铸锭中心的(de)含量(liang)最高。赵(zhao)永(yong)庆(qing)等[48]研(yan)究(jiu) Ti-2.5Cu、Ti-3Fe、Ti-3Cr、Ti-
13Cu-1Al和Ti-6Al-1.7Fe合(he)金铸(zhu)锭(ding)中Cu、Fe和Cr的(de)偏析规律发(fa)现：合(he)金元素(su)Cu和Fe的偏析(xi)程(cheng)度(du)大，Cr的偏(pian)析
程度(du)小；Cu和(he)Fe含量(liang)越高，偏(pian)析程度(du)越(yue)严(yan)重(zhong)；Cu 在 Ti-13Cu-1Al 的晶界(jie)处(chu)易(yi)发(fa)生富集(ji)，而(er)在(zai) Ti-2.5Cu合
金(jin)中容易(yi)出现(xian)晶界贫(pin)化(hua)。因(yin)此(ci)，对于平衡分(fen)配(pei)系(xi)数 K<1 的合金元(yuan)素，其从铸(zhu)锭(ding)中心到边(bian)缘含(han)量逐渐减少(shao)
，而(er)对K>1的(de)元素(su)则相反[49~52]。
2.1.3 钛合金冶(ye)金(jin)缺陷形成及分析
钛(tai)合金(jin)熔(rong)炼(lian)过程(cheng)中(zhong)冶(ye)金(jin)缺(que)陷的形成(cheng)与铸(zhu)锭组织(zhi)中的白斑(ban)、树(shu)环偏(pian)析等宏观(guan)偏(pian)析(xi)密不可(ke)分。1996 年
Kennedy等(deng)[53]将钛(tai)合金(jin)铸锭中的常(chang)见(jian)白(bai)斑分为 3 类，并根(gen)据假(jia)设形成(cheng)机制(zhi)命(ming)名(ming)。2002年(nian)Zhang等(deng)[54]研(yan)究(jiu)
了(le)INC-ONEL718合金在(zai)VAR铸(zhu)锭过(guo)程中枝晶白(bai)斑(ban)的形(xing)成(cheng)；Xu等(deng)[55]则(ze)利(li)用有(you)限容积方(fang)法(FVM)耦合(he)元(yuan)胞自(zi)动(dong)机(ji)
(CA)法研究了(le)该(gai)合(he)金(jin)中(zhong)树(shu)环(huan)偏(pian)析的形(xing)成，并(bing)探(tan)讨(tao)了VAR 过程(cheng)中的(de)工(gong)艺参(can)数(shu)对(dui)树环偏(pian)析的(de)影响。宏观(guan)偏析体现(xian)
在(zai)铸锭(ding)内外(wai)或上(shang)下(xia)部位之间的(de)成分差(cha)异(yi)，只有在温度场、浓度(du)场和流(liu)场(chang)耦合的(de)基础(chu)上(shang)，采用数值(zhi)计算模(mo)拟(ni)才(cai)
可定量(liang)预测宏(hong)观偏(pian)析。1997 年 Gar-tling和(he)Sackinger[56]采用Parallel Virtual Machine soft-ware软(ruan)件
对(dui)TC4等钛(tai)合(he)金(jin)的VAR过程(cheng)进(jin)行(xing)分(fen)析，得到(dao) Al 元(yuan)素(su)的(de)宏观(guan)偏析及夹(jia)杂物的(de)运(yun)动轨迹(ji)。他(ta)们模拟(ni)了 TC4 钛(tai)合
金 VAR 过程中(zhong) Al 元(yuan)素和(he) V 元(yuan)素在(zai)铸(zhu)锭(ding)上(shang)的分布(bu)，以(yi)及(ji)有(you)/无搅拌时O元素在铸(zhu)锭(ding)上(shang)的分布，证实(shi)电(dian)磁(ci)搅拌(ban)
可显著减(jian)小(xiao)铸锭(ding)径(jing)向(xiang)的合(he)金元素(su)偏(pian)析。另有研究(jiu)[57,58]表(biao)明，电磁搅(jiao)拌(ban)之(zhi)所(suo)以(yi)能有效(xiao)地减轻(qing)或消除中心(xin)偏
析，一(yi)方面是通(tong)过(guo)控(kong)制(zhi)熔体(ti)的流(liu)动(dong)方(fang)式，改(gai)变枝(zhi)晶之(zhi)间的(de)熔体(ti)流(liu)动(dong)情况；另一(yi)方面促(cu)进(jin)熔(rong)体填(tian)充因(yin)凝(ning)固(gu)收(shou)缩(suo)
所(suo)产生的孔(kong)隙，控制(zhi)游(you)离晶(jing)体。
经真空自耗电弧熔(rong)炼(lian)的(de)铸锭(ding)，在(zai)铸锭头部(bu)、中部、晶(jing)界(jie)及(ji)枝(zhi)晶间(jian)等地(di)方(fang)，往往存在一(yi)些宏观(guan)或(huo)显微(wei)的收
缩孔洞(dong)，容(rong)积(ji)大且(qie)集中的(de)称为(wei)缩孔(kong)，细小而(er)分散(san)的称(cheng)为(wei)缩(suo)松，其中在晶界(jie)或枝(zhi)晶间(jian)出(chu)现(xian)的(de)缩松又称为(wei)显(xian)微(wei)缩(suo)
松(song)。任(ren)何形(xing)态(tai)的缩松(song)或缩(suo)孔(kong)处(chu)都存在(zai)应力(li)集(ji)中(zhong)，这(zhe)不仅(jin)会显著(zhu)降(jiang)低铸锭(ding)的力学性能，而(er)且在铸(zhu)锭(ding)开坯过程(cheng)中(zhong)
容(rong)易产生(sheng)裂(lie)纹(wen)。在(zai)后(hou)续(xu)深加工时(shi)缩松一般可(ke)以复合(he)，但聚(ju)集(ji)有(you)气(qi)体(ti)和非(fei)金属(shu)夹杂(za)物(wu)的(de)缩孔(kong)一(yi)般不能压合(he)而只
会(hui)伸(shen)长，更甚(shen)者(zhe)会造成(cheng)铸锭(ding)沿(yan)缩(suo)孔(kong)轧裂(lie)或分层(ceng)，并(bing)在退火(huo)过程(cheng)容(rong)易(yi)出现起(qi)皮(pi)、气泡(pao)等(deng)缺陷(xian)，从而(er)降(jiang)低(di)产(chan)品的
表面质(zhi)量(liang)和(he)成材(cai)率(lv)。利(li)用(yong) Pro CAST 软件(jian)可(ke)对铸锭凝(ning)固后(hou)的(de)缩(suo)松和缩孔(kong)进(jin)行计算数(shu)值模拟(ni)，并可初(chu)步确定实(shi)
际铸(zhu)锭(ding)缩松(song)和缩孔(kong)的(de)位(wei)置[59]。
铸锭熔炼(lian)过(guo)程(cheng)的(de)数值(zhi)模(mo)拟是(shi)材料学、物理学(xue)、数(shu)学以(yi)及计(ji)算(suan)机图(tu)形学(xue)等(deng)各(ge)学(xue)科(ke)的(de)交(jiao)叉(cha)，也(ye)是(shi)先进制造(zao)技(ji)
术的前沿(yan)，开(kai)展铸(zhu)锭(ding)熔炼过程(cheng)的数(shu)值(zhi)模(mo)拟可(ke)以(yi)帮助(zhu)工程(cheng)技术(shu)人员优(you)化工(gong)艺(yi)参(can)数，缩短实(shi)验(yan)周期，降(jiang)低生(sheng)产(chan)成
本(ben)并确(que)保铸锭(ding)的(de)质量。目(mu)前国(guo)外对(dui)于(yu)VAR 过程的数(shu)值计算(suan)已(yi)步入(ru)多(duo)物理场(chang)与(yu)多(duo)尺(chi)度耦合(he)阶(jie)段(duan)，对(dui)于(yu)深入理(li)解(jie)
VAR 过程(cheng)中(zhong)熔(rong)体(ti)流动(dong)、热传(chuan)输(shu)、电(dian)磁(ci)作(zuo)用、微观组织以及熔(rong)炼(lian)缺陷(xian)形(xing)成的物理化学现(xian)象(xiang)具有(you)重(zhong)要意义。
2.2 部分医用钛合金(jin)的(de)物理(li)冶(ye)金(jin)新(xin)进展
2.2.1 生(sheng)物医(yi)用 Ti-Ta 合(he)金(jin)
针对(dui) Ti-xTa 合(he)金(jin)设(she)计(ji)开(kai)发(fa)方(fang)面(mian)，国(guo)内外学者(zhe)开展(zhan)了(le)大(da)量(liang)的研(yan)究(jiu)。Fedotov等(deng)[60]系统研(yan)究了Ti-Ta二元
合(he)金(jin)高(gao)温淬火(huo)发(fa)生的相(xiang)变与(yu)成分(fen)的关(guan)系：随着(zhe) Ta 含量(liang)增(zeng)加(jia)，依(yi)次(ci)产生(sheng) α'、α″、w、β相，且 β相
逐
渐增(zeng)加(jia)；当(dang) Ta 含量(liang)超(chao)过(guo)65% (质量分数)时(shi)，则(ze)全(quan)部(bu)转变成(cheng) β相(xiang)。Zhou 等(deng)[61]对 Ti-Ta 二元合金的(de)微(wei)观(guan)
组织和(he)力(li)学性(xing)能(neng)进(jin)行了(le)研究(jiu)，发(fa)现(xian)淬(cui)火(huo)态的(de) Ti30Ta 和(he) Ti70Ta 合(he)金(jin)的(de) Young's模(mo)量较(jiao)低，分别(bie)为(wei) 69
和 67 GPa，而(er)对应的抗拉(la)强(qiang)度分(fen)别(bie)为 587 和(he) 600 MPa。可见(jian)，增(zeng)加昂(ang)贵(gui)高熔点的Ta元素(su)含量并不(bu)能显(xian)著降
低(di)合金(jin)的弹(dan)性(xing)模(mo)量，而(er)抗(kang)拉(la)强度(du)也处(chu)于较低(di)水平(ping)。Margevicius和Cotton[62]对Ti-60Ta合(he)金(jin)的(de)研究(jiu)发现(xian)，合
金(jin)在拉(la)伸(shen)过程(cheng)中出现(xian)的(de)屈服(fu)平台是(shi)由于(yu)应(ying)力(li)诱(you)发(fa)马(ma)氏体相(xiang)变(bian)引起(qi)的(de)，在(zai)高(gao)温(wen)淬火(huo)过程(cheng)中(zhong)有(you) w 相(xiang)析(xi)出，w 析(xi)
出相的(de)体(ti)积分数(shu)随热处理温度升高(gao)而增加(jia)，并(bing)且(qie) w 相的析(xi)出会阻碍β→α″马(ma)氏体相变。对钽合(he)金抗腐(fu)蚀(shi)
性(xing)
能的(de)研(yan)究(jiu)表(biao)明(ming)，Ta2O5的(de)稳(wen)定(ding)性(xing)优于(yu)TiO2，在(zai)两者(zhe)的共(gong)同(tong)作用(yong)下(xia)，Ti-Ta合金具有(you)很(hen)强的(de)抗(kang)腐蚀(shi)能(neng)力，有(you)望在(zai)
生物(wu)医学(xue)及(ji)石油(you)化(hua)工工(gong)程等(deng)领(ling)域(yu)推广(guang)应用(yong)。
本(ben)文(wen)作者(zhe)所(suo)在课(ke)题组(zu)系(xi)统研(yan)究(jiu)了(le) Ti-xTa (x=1、2、5、10、20、30、40、50、60、80，质(zhi)量(liang)分(fen)数(shu)，%)二
元医(yi)用(yong)钛合金系列(lie)。选(xuan)用1级(ji)小颗粒海绵(mian)Ti和(he)冶金(jin)级(ji)Ta粉和混(hun)布料(liao)工(gong)艺(yi)，采(cai)用(yong)三(san)次VAR熔(rong)炼工艺(yi)制(zhi)备(bei)出了成(cheng)分
均(jun)匀、杂质(zhi)含(han)量很低(di)的(de)优质(zhi)合(he)金(jin)铸锭(ding)。
2.2.2 生物(wu)医用(yong) Ti-Nb-Ta-Zr 合(he)金
Niinomi等[1,9,20,63]在国际上最(zui)早研制(zhi)开(kai)发(fa)了(le)较(jiao)低弹性(xing)模(mo)量(liang)的(de)生(sheng)物(wu)医用(yong) TNTZ亚稳定 β 合(he)金(jin)。该合(he)
金(jin)
在(zai)时效(xiao)时会析出(chu) α相(xiang)或 w 相，提(ti)高(gao)了合(he)金的弹(dan)性(xing)模量；而如(ru)果引(yin)入 β相及 α″相(xiang)(马(ma)氏(shi)体)，或(huo)采用大(da)塑(su)
性(xing)变(bian)形会诱(you)发马(ma)氏体(ti)相(xiang)变并(bing)产生微缺(que)陷(xian)，从而(er)可(ke)降低(di)弹(dan)性(xing)模量(liang)。TiNbTaZr四(si)元(yuan)系(xi)β型合(he)金的(de)弹(dan)性模量(liang)存(cun)在(zai)较
强(qiang)的(de)各(ge)向(xiang)异性，因而可通过控制轧(ya)制方(fang)向(xiang)使(shi)其(qi)弹(dan)性(xing)量接(jie)近(jin)皮质(zhi)骨(gu)的(de)水平。
针对TNTZ合金中含有(you)较多(duo)含(han)量(liang)的(de)Nb、Ta等(deng)比金属(shu)Ti熔点和密度都高(gao)得(de)多(duo)的合(he)金(jin)元素(su)，本(ben)文作者所(suo)在(zai)课题
组采用优(you)质(zhi)原料(小颗(ke)粒海绵(mian)Ti、冶(ye)金(jin)级(ji)Ta粉(fen)和(he)Nb 粉、海绵 Zr)、混(hun)布料工艺、三(san)次 VAR熔(rong)炼工(gong)艺(yi)，成(cheng)功制
备(bei)出(chu)了成(cheng)分均(jun)匀(yun)、杂(za)质含(han)量(liang)较(jiao)低的优(you)质(zhi)合金铸锭和热(re)轧(ya)板坯，有(you)效(xiao)避免了(le)上(shang)述(shu)合(he)金(jin)元素(su)的宏(hong)观(guan)偏(pian)析(xi)。有(you)关
TNTZ 钛(tai)合金(jin)铸锭、热轧板坯(pi)及(ji)其高(gao)低倍(bei)组(zu)织如(ru)图1所示。
2.2.3 抗菌用(yong)Ti-Cu合金(jin)
钛(tai)合(he)金作为一(yi)类生(sheng)物(wu)惰(duo)性(xing)材(cai)料(liao)，自(zi)身(shen)不(bu)具备(bei)抗菌或(huo)抑菌(jun)生(sheng)物(wu)性(xing)能(neng)，当(dang)植(zhi)入人体(ti)后(hou)会(hui)与机体组织(zhi)产(chan)生(sheng)异物
排斥(chi)而(er)诱(you)发炎症(zheng)，且(qie)有可能(neng)带入(ru)有害细菌(jun)而引(yin)发感染。研(yan)究[64]发(fa)现，在(zai)现(xian)有(you)医用钛合金(jin)中(zhong)适(shi)量加入Cu、Ag
等(deng)合金(jin)元(yuan)素，可使(shi)钛(tai)合金(jin)在保(bao)证(zheng)其(qi)基(ji)本力(li)学(xue)性能的(de)同时，具(ju)有一定(ding)的(de)广(guang)谱杀菌(jun)或(huo)抑菌功(gong)效(xiao)，从(cong)而(er)有望成(cheng)为(wei)一
种(zhong)有效(xiao)解(jie)决(jue)钛合金(jin)外(wai)科植入器械细菌感染(ran)问(wen)题(ti)的(de)新途径(jing)。本(ben)课(ke)题组(zu)采(cai)用(yong)合适的(de)原料(0~1 级(ji)海绵(mian) Ti 和(he)
99.99%Cu 屑(xie))和混(hun)布料工艺，设(she)置(zhi)合适的(de)熔(rong)炼(lian)工(gong)艺参(can)数(shu)，通(tong)过(guo)反复(fu)多次(ci)熔炼和(he)热(re)加工，成(cheng)功(gong)制(zhi)备出(chu)了
Ti3.5Cu 抗(kang)菌(jun)用(yong)钛(tai)合(he)金(jin)优(you)质(zhi)铸锭和(he)高(gao)品质(zhi)小(xiao)规(gui)格(ge)棒(bang)材(cai)。Ti3.5Cu合金(jin)宏观(guan)形貌和显微(wei)组(zu)织(zhi)如(ru)图(tu)2所示，棒材(cai)表(biao)
面无(wu)可(ke)见的冶金(jin)缺陷(xian)和氧化(hua)皮，直线度(du)和圆(yuan)度良(liang)好(hao)；由(you)其(qi)显微(wei)组织分(fen)析可(ke)见(jian) α相(xiang)呈(cheng)扁平针(zhen)条状并(bing)均(jun)匀分(fen)布(bu)
。
2.2.4 口(kou)腔用Ti-Zr系钛(tai)合(he)金(jin)
Ti-Zr系钛合金(jin)生(sheng)物(wu)相(xiang)容(rong)性好(hao)，强度及(ji)塑韧性(xing)适(shi)中，是一类(lei)适(shi)合(he)牙(ya)种(zhong)植体、义齿(chi)支(zhi)架(jia)等(deng)齿科(ke)用(yong)产品设(she)计(ji)
开(kai)发的(de)新型(xing)医用合金(jin)。本课题(ti)组采用传统(tong)的(de)VAR熔(rong)炼技(ji)术(shu)，成功制(zhi)备(bei)出(chu)了成分(fen)较(jiao)均(jun)匀(yun)、杂(za)质(zhi)含(han)量较低(di)的Ti-
xZr (x=1、2、16、20、35、50、60，质(zhi)量分数(shu)，%)系(xi)列(lie)新型(xing)生(sheng)物(wu)医(yi)用钛合(he)金(jin)，Ti-Zr系钛(tai)合(he)金(jin)实(shi)测(ce)化学(xue)成(cheng)分(fen)
见(jian)表(biao)3。
2.2.5 牙种植体(ti)用(yong) Ti-Nb 系(xi)钛(tai)合(he)金
Hamzah等[65]研(yan)究(jiu)发(fa)现 Ti35Nb 合(he)金(jin)具有(you)一定的(de)形(xing)状(zhuang)记(ji)忆(yi)效(xiao)应，其(qi)固溶(rong)态(tai)合(he)金在(zai)拉伸时可恢(hui)复(fu)应变(bian)仅为(wei)
0.5%，但 经 400 ℃ 、10 min 时(shi) 效 后 可(ke) 恢(hui) 复 应 变 增(zeng) 加 到3.25%。研(yan)究(jiu)还发现，合(he)金低温(wen)时效会(hui)
形(xing)成(cheng)细小的具(ju)有(you)bcc结构(gou)的析出(chu)相并(bing)导(dao)致(zhi)较高(gao)的屈(qu)服强(qiang)度和(he)脆(cui)性；550 ℃以上(shang)高温(wen)时效时则(ze)会(hui)产生(sheng)弥散(san)分(fen)布(bu)
的(de)针状 α相，屈服(fu)强度及(ji)断(duan)裂(lie)延伸(shen)率(lv)分(fen)别达(da)到 310 MPa和6%。Inamura等(deng)[66]研(yan)究了(le)Ti-xNb二(er)元(yuan)合金的形状(zhuang)
记忆效应和(he)超(chao)弹性(xing)，结果表明：Nb 含(han)量增(zeng)加(jia) 1% (原子(zi)分数(shu))则马氏(shi)体转(zhuan)变开始(shi)温(wen)度(du)(Ms)降(jiang)低(di) 43 ℃；Ti-
(22~25)Nb合(he)金(jin)经900 ℃、30 min固溶处理后(hou)具(ju)有形状记忆效应(ying)；Ti-(25.5~27)Nb 合金(jin)呈现室(shi)温超(chao)弹性(xing)，完(wan)
全(quan)可(ke)恢(hui)复应变(bian)约(yue) 2%；当(dang)经过 300 ℃时效处(chu)理(li) 1 h后可(ke)析(xi)出(chu)细(xi)小(xiao)弥(mi)散(san)的(de) w 相(xiang)并(bing)因(yin)此(ci)增(zeng)强(qiang)了(le)其超(chao)弹(dan)性；经(jing)过
冷轧(ya)后中(zhong)温(wen)退(tui)火(600 ℃、10 min)和时(shi)效处理(300 ℃、1 h)，合金(jin)的超(chao)弹(dan)性得到增(zeng)强(qiang)。
本文作者(zhe)所在(zai)课(ke)题(ti)组(zu)开展(zhan)了(le) Ti-xNb (x=5、10、15、20、25，质(zhi)量分(fen)数(shu)，%)新(xin)型(xing)医用(yong)钛(tai)合金(jin)成(cheng)分设计(ji)、
熔炼(lian)及(ji)热(re)加(jia)工等基础(chu)研究，其Ti-xNβ钛合金(jin)棒材微(wei)观组织如(ru)图3所(suo)示(shi)。
3 、合(he)金加工制(zhi)备、微(wei)观(guan)组(zu)织(zhi)与(yu)力(li)学(xue)性(xing)能研究
控制不同(tong)合(he)金(jin)元(yuan)素及(ji)其配(pei)比会形(xing)成(cheng)不同(tong)类(lei)型的医用钛(tai)合(he)金(jin)，而(er)相(xiang)结(jie)构和(he)显(xian)微组织的(de)形(xing)成(cheng)与演(yan)变(bian)又(you)离(li)不开
其(qi)后续(xu)的(de)加(jia)工、热(re)处(chu)理等加工制(zhi)备(bei)方法和具体工(gong)艺(yi)，然后(hou)才(cai)能通过不(bu)同(tong)显微组(zu)织(zhi)或(huo)微观(guan)变(bian)形(xing)机制来研究和(he)提(ti)
高(gao)其(qi)综合(he)力(li)学性能。因此(ci)，除(chu)了宏(hong)观上(shang)要关注(zhu)高熔(rong)点(dian)的b-Ti稳定(ding)元素(su)及(ji)其含量配比(bi)对微(wei)观(guan)组(zu)织(zhi)的主要(yao)影(ying)响(xiang)因
素外(wai)，还(hai)必(bi)须(xu)从微观层(ceng)面关(guan)注(zhu)O、N等(deng)杂质(zhi)元(yuan)素(su)对(dui)α'、α''、w相(xiang)等(deng)中(zhong)间(jian)相(xiang)的形(xing)成(cheng)以及这(zhe)些(xie)中间(jian)
相
的(de)结构(gou)类(lei)型、形(xing)貌、尺(chi)寸、分(fen)布、体(ti)积(ji)分(fen)数、显(xian)微(wei)织构等(deng)因素及其(qi)对钛(tai)合(he)金弹性(xing)模量(liang)等力学(xue)性(xing)能的影响，从
而使合金强(qiang)度(du)、模(mo)量和(he)塑(su)韧(ren)性(xing)等综合(he)力(li)学性(xing)能(neng)达到优(you)良(liang)匹(pi)配(pei)。
3.1 医用(yong)钛(tai)合(he)金(jin)材料的(de)加工制(zhi)备
3.1.1 医(yi)用(yong)钛合金材(cai)料(liao)加(jia)工(gong)制(zhi)备(bei)技(ji)术概述
任何(he)新(xin)型(xing)的医(yi)用钛合(he)金材(cai)料(liao)设(she)计定型后，只有(you)易(yi)加工(gong)成(cheng)不(bu)同(tong)形(xing)状和(he)规(gui)格(ge)的板(ban)、管(guan)、棒、条(tiao)等常(chang)规材(cai)料(liao)，
才能满(man)足不(bu)同(tong)外(wai)科植入物产(chan)品(pin)的(de)后(hou)续(xu)精(jing)密加工(gong)需(xu)要(yao)。钛合(he)金板、棒(bang)、管(guan)、锻件等(deng)半成(cheng)品(pin)坯(pi)料(liao)首先(xian)需要(yao)采(cai)用高(gao)
温(通常(chang)在合金(jin)相变(bian)点(dian)以(yi)上(shang))大(da)塑(su)性(xing)变形以(yi)充分破碎(sui)原(yuan)始(shi)的粗大铸(zhu)态组(zu)织，而(er)常(chang)用的热压(ya)力加工设备或方(fang)法(fa)主(zhu)
要(yao)包括自由(you)锻造、精(jing)密锻(duan)造(zao)、快(kuai)速(su)锻(duan)造等。目前市场(chang)上常(chang)用的(de)钛(tai)合(he)金外(wai)科(ke)植(zhi)入(ru)物及(ji)矫(jiao)形(xing)器(qi)械(xie)产(chan)品，其精密加(jia)
工(gong)所用(yong)的(de)原(yuan)材料(liao)主(zhu)要为小(xiao)规(gui)格的(de)板(ban)、管(guan)、棒、线(xian)、丝(si)、箔(bo)等(deng)深加工(gong)产品(pin)，采(cai)用挤(ji)压(ya)、轧制、旋(xuan)锻、拉(la)拔等(deng)4
种(zhong)加(jia)工方(fang)式(shi)即可(ke)获(huo)得(de)。
3.1.2 医用(yong)钛合(he)金(jin)材料的先进加工(gong)制(zhi)备(bei)研究
(1) 大塑(su)性(xing)变形加工和(he)晶粒(li)微(wei)纳米化(hua)处理
与粗晶(jing)材(cai)料相(xiang)比，具(ju)有(you)微(wei)纳米(mi)结(jie)构(gou)的超(chao)细晶(jing)材料(liao)(在其(qi)晶体(ti)区(qu)域(yu)或(huo)其(qi)它特征长(zhang)度的(de)典型(xing)尺寸(cun)至(zhi)少(shao)在一(yi)维
方向上(shang)达(da)到 100 nm~1 mm)往往(wang)具有(you)优(you)良的(de)理化(hua)特性(xing)，一般具(ju)有(you)较(jiao)高的(de)强度(du)、硬(ying)度(du)、疲劳寿(shou)命(ming)和低温(wen)超(chao)塑性
、高(gao)应(ying)变速(su)率(lv)以及(ji)优(you)良(liang)的切(qie)削(xue)性能等(deng)综(zong)合(he)力学性能(neng)，部(bu)分(fen)材(cai)料(liao)还具有良(liang)好(hao)的热稳定性(xing)、耐蚀性、耐(nai)磨性和(he)生(sheng)
物(wu)学性(xing)能(neng)等(deng)。目(mu)前加(jia)工(gong)超(chao)细晶(jing)金属材料(liao)主要(yao)包(bao)括(kuo)物(wu)理(li)沉积(ji)、快(kuai)速(su)凝(ning)固、非晶晶(jing)化、机械(xie)合(he)金法以(yi)及强力大(da)塑
性变(bian)形(xing)的挤(ji)压(ya)、轧制、拉(la)拔(ba)等方(fang)法。其(qi)中(zhong)，强塑(su)性变(bian)形(xing)法(SPD，主要包(bao)括(kuo)等(deng)径角挤(ji)压(ECAP)、累积复合(he)轧(ya)制
(ARB)等)凭(ping)借其强(qiang)烈(lie)的(de)细化晶粒(li)能力、不(bu)易(yi)引(yin)入微(wei)孔(kong)和杂质以及(ji)可(ke)以制备较(jiao)大(da)尺(chi)寸块(kuai)状样品等优点(dian)已引(yin)起广(guang)
泛关(guan)注(zhu)，该(gai)方(fang)法(fa)为传(chuan)统医(yi)用金属材料(liao)力(li)学(xue)性(xing)能的优化(hua)升(sheng)级(ji)指(zhi)明了一(yi)条新方向，也是(shi)解(jie)决目前(qian)医用(yong)纯Ti强(qiang)度(du)低(di)
、模(mo)量高(gao)、生物(wu)力学性(xing)能欠佳等(deng)问(wen)题(ti)的最佳途径。
目前(qian)在(zai)超(chao)细(xi)晶(jing)金(jin)属(shu)材料的(de)基础(chu)研究及(ji)产业化(hua)方(fang)面的领(ling)军人(ren)物是乌法(fa)国(guo)立(li)航(hang)空(kong)技术大(da)学(xue)先进(jin)材(cai)料物理(li)研(yan)究
所(IPAM USATU，Ufa，Russia)的(de) Ruslan Va-liev教授(shou)带领的(de)团队(dui)，2002年(nian)他在(zai)《Nature》上发表了(le)生物(wu)医(yi)
用纳(na)米(mi) Ti 的(de)研究进展(zhan)[67]，2006 年对纳(na)米(mi)纯(chun) Ti棒(bang)进(jin)行了商业化应用(yong)，2007 年成(cheng)立了 NanoMet LLC公司
，目前年(nian)生(sheng)产能力达2 t，可制(zhi)备(bei)出直径4~8 mm、长(zhang)3 m的(de)长棒，精(jing)度(du)级别为H8级(ji)。该超(chao)细晶(jing)高强(qiang)纯Ti 材料
分(fen)别(bie)于(yu) 2006 和(he) 2011 年(nian)被(bei)捷克 Timplant 公(gong)司(商标号：Nanoimplant)和美国 BASIC Dental Implant
Systems公(gong)司(商标号(hao)：Biotanium)用(yong)于牙种植体(ti)的(de)制(zhi)造，并(bing)分(fen)别取得(de)产品注(zhu)册证(zheng)[68,69]。2012年超(chao)细晶(jing)高(gao)
强纯(chun)Ti材(cai)料(liao)申请(qing)纳(na)入了ISO9001:2008标(biao)准(zhun)。
国(guo)内(nei)在超(chao)细晶(jing)纯(chun) Ti 研究方(fang)面的(de)领军(jun)人(ren)物是(shi)南(nan)京(jing)理(li)工(gong)大学朱(zhu)运(yun)田等[70,71]，其(qi)在(zai)超(chao)细(xi)晶(jing)高强度(du)和粗晶(jing)
大(da)塑(su)性(xing)变形方面(mian)提出了(le)新(xin)思路，研(yan)制(zhi)出(chu)了一种以高(gao)强(qiang)度(du)的(de)超细(xi)晶(jing)“硬”层(ceng)片(pian)为基(ji)体(ti)并(bing)弥散分布着(zhe)大塑性再(zai)结(jie)
晶“软”层(ceng)片(pian)的(de)全新微观结构，其外(wai)科(ke)植入物(wu)用(yong)超细晶(jing)纯Ti的加(jia)工技术(shu)于(yu)2002年获(huo)得美(mei)国专(zhuan)利(li)(U.S. Patent
No. US6399215 B1，4 June 2002)，具体制(zhi)备(bei)方法(fa)为(wei)：首先(xian)对(dui)直(zhi)径 26 mm、长(zhang) 120 mm 的(de)短棒(bang)和(he)模具进行
450 ℃退(tui)火(huo)，然后采用 50%道(dao)次(ci)变形(xing)量进行ECAP制(zhi)备(bei)，得(de)到了(le)直(zhi)径(jing)16 mm的棒(bang)材(cai)，其(qi)原(yuan)始晶(jing)粒(li)尺寸(cun)为(wei) 10 mm
，挤(ji)压(ya)角(jiao)为 90°，共(gong)进(jin)行 8 道次(ci)后(hou)，平均晶(jing)粒尺(chi)寸为(wei) 260 nm，抗(kang)拉强(qiang)度从(cong) 460 MPa 提(ti)高(gao)至710 MPa，屈
服强度(du)从 380 MPa 提高至(zhi) 640 MPa，延(yan)伸(shen)率(lv)为(wei) 14%；然后再(zai)对直径(jing) 16 mm 的(de)棒(bang)材进行(xing)总(zong)变形(xing)量(liang)为 55%的冷(leng)
轧(ya)后，其抗拉强(qiang)度达到(dao) 1050 MPa，屈服(fu)强(qiang)度1020 MPa，延(yan)伸率(lv)6%，断面收(shou)缩率(lv)30%[71]。
2013 年，本文作(zuo)者(zhe)所在(zai)课题组(zu)[72]采用累积(ji)大变形(xing) 冷(leng) 轧 技(ji) 术(shu) ，加 工(gong) 获 得(de) 直 径 0.5~20 mm 的(de)
TC4、TC4ELI 2 种医用钛合(he)金细晶化的棒(bang)、线(xian)材，晶粒组(zu)织评(ping)级均(jun)达(da)到A1级(ji)，其(qi)强度(du)和塑(su)性指标(biao)均(jun)优(you)于同种
工业(ye)化(hua)粗(cu)晶(jing)态(tai)的(de)钛(tai)合金(jin)材(cai)料(liao)。随(sui)后(hou)，该(gai)研究(jiu)团队采用改(gai)进的 ARB 法-累(lei)积(ji)包(bao)覆叠(die)轧(ya)自(zi)有(you)技术(shu)，对新(xin)型高(gao)强(qiang)低(di)
模(mo)量β钛合(he)金(jin)TLM超(chao)细晶(jing)板、箔材(cai)进(jin)行(xing)了加工制备、微观组织(zhi)及(ji)其(qi)力学(xue)性(xing)能的(de)系(xi)统(tong)研究。研究[73]发现，随(sui)
着(zhe)
复(fu)合层(ceng)数(shu)的(de)增加，超细(xi)晶薄板(ban)内(nei)部(bu)位错密度增加(jia)，超细晶粒所占比率(lv)增多，屈(qu)服强度、抗拉强(qiang)度、表(biao)面硬度(du)
逐渐增(zeng)大，弹(dan)性模量总(zong)体(ti)呈(cheng)上升(sheng)趋势。其(qi)中 8 层薄板材(cai)料(liao)内部(bu)均(jun)匀分布着(zhe)晶粒(li)尺寸(cun)约(yue)为100 nm且(qie)被明(ming)显(xian)晶
界(jie)包围的(de)超(chao)细晶(jing)粒，其(qi)抗(kang)拉强度达(da)到(dao)最大值 1200 MPa，比(bi)单(dan)层冷(leng)轧态(tai)薄(bao)板(ban)提(ti)高49%；而(er) 16 层(ceng)复合(he)板内(nei)部充
满(man)了(le)超(chao)细晶(jing)组织，平(ping)均(jun)晶(jing)粒(li)尺(chi)寸约为 50 nm；当复合加工(gong)的(de)箔(bo)材(cai)厚度为(wei)0.06 mm时，抗(kang)拉强度(du)达(da)到1050 MPa
，而(er)此时(shi)的弹性模量低(di)至 35 GPa[74]。有(you)关超(chao)细(xi)晶 TLM 钛(tai)合金箔(bo)材的实(shi)测力学性(xing)能(neng)如表(biao) 4 所(suo)示(shi)。另外，
针(zhen)对(dui)某(mou)骨科器(qi)械对钛(tai)合(he)金箔材的(de)需(xu)求，他(ta)们(men)选(xuan)用厚度为(wei) 2 mm 的(de)TLM板材(cai)，采用(yong)传统(tong)的(de)冷轧(ya)技(ji)术和超大累积
变(bian)形(xing)量(98%)，通过(guo)优(you)化(hua)道(dao)次(ci)变(bian)形(xing)量、润(run)滑(hua)剂(ji)、低(di)温消除应(ying)力处理(li)等(deng)工艺(yi)参(can)数，解(jie)决(jue)了钛(tai)合金箔材的冷(leng)变形(xing)
难、表(biao)面(mian)褶(zhe)皱(zhou)或(huo)鼓包等技术难(nan)题(ti)，研制出厚(hou)度0.02 mm、宽
度大(da)于(yu) 200 mm、长度(du)可达(da)几(ji)十米的(de)具有(you)高强(qiang)度(du)、低(di)模(mo)量和(he)超弹性的(de)TLM钛(tai)合金超(chao)细晶(jing)优质(zhi)箔材(cai)，并(bing)获(huo)国家(jia)发
明(ming)专利(li)(ZL201310660898.0)。
(2) 多孔(kong)化制备(bei)及微(wei)孔结(jie)构控制(zhi)
近年(nian)来(lai)临床(chuang)应(ying)用(yong)研(yan)究[75]发现(xian)，传统(tong)的 Ti 及钛合金(jin)因其(qi)弹性(xing)模(mo)量与骨(gu)相比(bi)仍(reng)较高(gao)，可(ke)产(chan)生“应力屏蔽(bi)
或遮(zhe)挡(dang)”现(xian)象(xiang)，在(zai)这(zhe)种应力(li)条(tiao)件(jian)下(xia)，缺(que)少(shao)足(zu)够(gou)应(ying)力刺激(ji)的骨(gu)组(zu)织(zhi)会(hui)出现退(tui)化(hua)。而(er)工业(ye)上(shang)批(pi)量化生(sheng)产(chan)的(de)医(yi)疗器(qi)
械(xie)的外(wai)形轮(lun)廓及三维(wei)结构与病患骨(gu)组(zu)织(zhi)贴(tie)合(he)度欠(qian)佳(jia)，也(ye)进(jin)一步(bu)加(jia)剧骨组(zu)织(zhi)萎(wei)缩(suo)、甚至(zhi)被(bei)吸收，最(zui)终(zhong)导致(zhi)植入(ru)
体失(shi)去临床(chuang)康(kang)复(fu)治(zhi)疗效(xiao)果。
为(wei)增强植(zhi)入体(ti)与骨(gu)组织(zhi)之(zhi)间(jian)的(de)相容性(xing)，加速(su)骨(gu)整(zheng)合，研究(jiu)人(ren)员(yuan)提(ti)出(chu)了(le)在材料(liao)内部引入(ru)孔隙的方法，即将
其制成(cheng)整(zheng)体多孔(kong)材料(liao)。与致密材料相比，多(duo)孔(kong)钛(tai)合金的(de)强(qiang)度和(he)弹性模量明(ming)显下降，并且(qie)其密度(du)、强(qiang)度和(he)弹性
模(mo)量(liang)可以(yi)通过(guo)对(dui)孔结构(gou)的(de)调(diao)整(zheng)来达(da)到(dao)与(yu)被(bei)修(xiu)复替换骨(gu)组织的(de)力学性能相(xiang)匹(pi)配；另外，在(zai)多孔 Ti 的(de)应(ying)力(li)-应(ying)
变(bian)曲(qu)线中，弹性变(bian)形(xing)后有一(yi)个较长(zhang)的应力平台(tai)，能够对外(wai)来(lai)冲(chong)击力起到(dao)缓冲、减震(zhen)和(he)抗(kang)冲(chong)击(ji)的(de)作(zuo)用(yong)，这对人
体(ti)承载部(bu)位的应用有重要的意义(yi)[76~78]。并(bing)且(qie)多孔(kong)Ti材料(liao)独(du)特的多孔(kong)结(jie)构及粗糙(cao)的(de)内外表面(mian)将(jiang)有(you)利(li)于(yu)成(cheng)骨(gu)
细(xi)胞的(de)黏附、增殖(zhi)和分(fen)化，促(cu)使(shi)新骨(gu)组织(zhi)长(zhang)入(ru)孔隙，使(shi)植(zhi)入体同(tong)骨之(zhi)间形成(cheng)生(sheng)物(wu)固定，并(bing)最(zui)终(zhong)形成(cheng)一(yi)个(ge)整(zheng)体
[79~84]。此(ci)外(wai)多(duo)孔钛合(he)金(jin)材料(liao)具有(you)独特(te)的三维(wei)连通(tong)孔(kong)，能(neng)够(gou)使(shi)体液和(he)营(ying)养(yang)物质在(zai)多孔(kong)植入体(ti)中(zhong)传输，促进(jin)
组(zu)织(zhi)再(zai)生与(yu)重建，加(jia)快(kuai)愈(yu)合(he)过(guo)程[85~88]。
多(duo)孔金(jin)属(shu)材料已成为当(dang)今国(guo)内(nei)外生物(wu)材料(liao)研(yan)究的热点(dian)之一(yi)。目前(qian)，钛(tai)合金(jin)多孔材(cai)料制备技(ji)术(shu)主要包括(kuo)液
相、固相和金(jin)属(shu)沉积(ji)3类(lei)方法(fa)，其中(zhong)以固(gu)相(xiang)法中的粉(fen)末(mo)冶(ye)金法(PM)研究最(zui)多(duo)，粉末(mo)烧结的发泡(pao)物一般是(shi) NaCl
、TiH2、碳酸(suan)氢(qing)胺(an)等(deng)常用(yong)材料(liao)，也有(you)尝(chang)试用 Mg 等(deng)新(xin)材(cai)料(liao)作(zuo)为(wei)发(fa)泡(pao)填(tian)充物(wu)[89]。Zimmer (捷(jie)迈(mai))公(gong)司采用(yong)气
相沉积制(zhi)备(bei)的全(quan)球(qiu)第(di)一个(ge)商品(pin)化(hua)的医用多(duo)孔(kong)Ta材(cai)料(骨小梁(liang)金属(shu))已用(yong)于(yu)人体皮(pi)质骨和(he)和(he)松(song)质(zhi)骨修(xiu)复(fu)[90]，其
产(chan)品(pin)如(ru)椎(chui)体(ti)替(ti)代物、髋臼填(tian)充(chong)块(kuai)、股(gu)骨头(tou)坏死重(zhong)建(jian)棒(bang)等已面(mian)世(shi)。但(dan)该方(fang)法具(ju)有以下(xia)缺点：含(han)有(you) 1%的(de)碳(tan)类(lei)杂
质(zhi)致使产(chan)品的(de)塑(su)性较(jiao)差、需要(yao)制备玻(bo)璃(li)或碳骨架(jia)(结(jie)构复杂(za)难于制作(zuo)大尺(chi)寸材料)、生产(chan)周期(qi)较(jiao)长(zhang)且成本(ben)较(jiao)高
。国内(nei)重庆润泽公司采用(yong)反(fan)模(mo)造孔(kong)-高温高真空烧结的(de)方法(fa)也(ye)制备出(chu)了(le)
性能较好的多孔Ta材料(liao)[91]。
本(ben)文(wen)作者(zhe)所(suo)在(zai)课(ke)题组通(tong)过粉末(mo)冶金(jin)法制(zhi)备(bei)出(chu)了与 3 种(zhong)预期(qi)孔隙(xi)率(30%、50%和 70%)相(xiang)近(jin)的新型多(duo)孔(kong)
TLM 钛合(he)金，如(ru)图(tu) 4a 和(he) b 所示(shi)。研究(jiu)发现，当(dang)孔(kong)隙尺(chi)寸(cun)为50~600 mm时，其(qi)孔(kong)洞(dong)分(fen)布(bu)和(he)成(cheng)分均匀、三维贯(guan)
通(tong)性(xing)好，且(qie)孔的(de)内(nei)壁表面(mian)粗糙(cao)并(bing)伴(ban)有(you)微(wei)孔(kong)分布(bu)；多孔Ti的(de)比表(biao)面(mian)积(ji)随着孔隙率的(de)增(zeng)加而增大，有(you)利(li)于提高(gao)成
骨(gu)细胞(bao)的吸(xi)附能力(li)和促(cu)进骨细(xi)胞的(de)长入，可更(geng)好(hao)地保证其(qi)生(sheng)物活性并(bing)利于(yu)生(sheng)物(wu)固(gu)定(ding)；在基体(ti)金属(shu)粒度(du)为
38~150 mm 时，多(duo)孔(kong) Ti 孔(kong)隙的结构(gou)特征(zheng)和孔(kong)洞(dong)尺寸的(de)大小(xiao)主(zhu)要由造(zao)孔(kong)剂(ji)决(jue)定(ding)；在(zai) 1100~1300 ℃范围(wei)内(nei)，
随(sui)着(zhe)烧(shao)结温度(du)的升高(gao)，孔洞(dong)形状(zhuang)更(geng)规(gui)则，尺寸分(fen)布(bu)趋(qu)向均匀。多孔TLM钛合金(jin)的(de)力学(xue)性(xing)能主要受孔隙(xi)率(lv)大小(xiao)
的影响：研(yan)究(jiu)发(fa)现(xian)，随(sui)着(zhe)孔(kong)隙(xi)率(lv)的(de)提(ti)高，多孔(kong)材料(liao)的压(ya)缩(suo)强度和(he)弹性模(mo)量急剧下降(jiang)(图(tu) 4c)；粉(fen)末(mo)粒度对(dui)多
孔(kong)材料的(de)屈(qu)服强(qiang)度(du)和(he)弹性(xing)模量(liang)也(ye)有一(yi)定的影响，在(zai)相同(tong)孔(kong)隙(xi)率(lv)下，粉(fen)末(mo)越细(xi)，多孔材(cai)料的(de)力(li)学性能越好(hao)；在(zai)
相同粉末粒(li)度(du)和(he)孔隙(xi)率(lv)下(xia)，与(yu)多(duo)孔纯(chun) Ti 相比，多(duo)孔 TLM 钛合(he)金具有(you)高(gao)强(qiang)度(du)、低(di)弹(dan)性(xing)模量的(de)特(te)点，如孔隙
率为 45.9% (38 mm)的多孔 TLM 钛合(he)金(jin)的(de)屈服(fu)强(qiang)度(du)为(wei) 264 MPa，弹(dan)性(xing)模(mo)量为 6.4 GPa，与人(ren)骨中松(song)质骨的
力学性(xing)能(neng)相(xiang)近(jin)，具(ju)有(you)良好的生(sheng)物力学相容(rong)性(xing)，在骨(gu)移(yi)植(zhi)材(cai)料方(fang)面具有(you)良好(hao)的(de)应(ying)用(yong)潜力(li)。
3.2 生物(wu)医(yi)用钛合(he)金(jin)的显微(wei)组织与力(li)学性能(neng)控(kong)制(zhi)
医(yi)用(yong)金属材(cai)料的微(wei)观(guan)组织、相转(zhuan)变、力学性(xing)能及(ji)其(qi)微(wei)观塑性(xing)变(bian)形(xing)机制与其加工(gong)、热处理(li)过(guo)程控(kong)制关(guan)系密(mi)
切。目(mu)前(qian)，国(guo)内外对(dui)新(xin)型(xing)医用(yong)β钛(tai)合金(jin)的(de)组(zu)织与性(xing)能研究较多(duo)，主要因为此(ci)类(lei)合金不(bu)仅成分(fen)多(duo)元化(hua)，并且(qie)
可(ke)通(tong)过(guo)不(bu)同(tong)加工(gong)和热(re)处(chu)理(li)使合(he)金呈现(xian)出多(duo)种(zhong)相(xiang)结构(gou)和不(bu)同显(xian)微组织(zhi)，而滑(hua)移(yi)变(bian)形、马氏(shi)体(ti)转变(bian)与孪生(sheng)变形是(shi)
β钛合金(jin)较常(chang)见的微观(guan)塑性(xing)变(bian)形(xing)方式(shi)。上世纪 80 年代(dai)研究(jiu)人员(yuan)展开(kai)β钛合金的(de)组(zu)织与性(xing)能(neng)关(guan)系的(de)基(ji)础研
究(jiu)[20]，围(wei)绕(rao)其低(di)模量、超(chao)塑性(xing)和(he)低屈(qu)服(fu)应(ying)力等现象，先(xian)后(hou)得(de)出了马氏体(ti)相(xiang)变、孪(luan)生控(kong)制(zhi)、无(wu)位(wei)错(cuo)变形等多
种(zhong)不(bu)同(tong)微(wei)观塑(su)性变形(xing)机制。
目前(qian)，国内外(wai)学者(zhe)的(de)相关研(yan)究(jiu)大(da)多(duo)集中于固(gu)溶(rong)和时效工(gong)艺对钛(tai)合(he)金(jin)组(zu)织(zhi)中无热(re)w相及(ji)等温(wen)w相(xiang)的形成、a
相(xiang)的形成(cheng)过程(cheng)、a′马(ma)氏(shi)体及其(qi)转(zhuan)变(bian)过程(cheng)、变形诱发 w 相(xiang)或(huo) α″以及 w 相对(dui) β→α 转(zhuan)变的(de)影(ying)响(xiang)。对TiMo
合
金的研究[92]表(biao)明(ming)，Mo 含量(liang)为(wei) 10%时(shi)固溶(rong)淬(cui)火后的显(xian)微组(zu)织为(wei) β+α″相；Mo 含(han)量(liang)为 15%和 20%时(shi)变为(wei)b+
纳(na)
米级(ji)w相，且随(sui)Mo含量(liang)的(de)增(zeng)加，w相(xiang)的尺寸更小；同(tong)时随着Mo含量的增(zeng)加，抗(kang)拉强度(du)分别(bie)为(wei) 756、739 和 792
MPa，延伸率分(fen)别为 24%、29%和2%。郝玉(yu)林等[93]研(yan)究发(fa)现，Ti29Nb13Ta4.6Zr合金(jin)经(jing)β相区固(gu)溶(rong)后于(yu)400
℃
以(yi)下(xia)低温时(shi)效，导(dao)致高(gao)的(de)拉(la)伸强(qiang)度和(he)疲劳(lao)寿(shou)命，这归功于(yu)时效(xiao)形成(cheng)的(de)细小 α 和(he) w相(xiang)，在(zai)这个温度(du)时效的(de)合(he)
金 Young's 模(mo)量可(ke)从(cong) 100GPa 减少(shao)到 60 GPa。这与(yu) Miura等[94]研究(jiu)的 TiNbSn及Ti-Nb β钛(tai)合(he)金(jin)结(jie)
果(guo)
基本一(yi)致(zhi)。但(dan)却(que)与一般研究(jiu)认为的(de)w 硬(ying)脆相只(zhi)能(neng)提(ti)高(gao)合(he)金的(de)弹(dan)性(xing)模量(liang)相(xiang)反(fan)。有(you)研(yan)究(jiu)[35]表明(ming)，合金经固溶形
成的无(wu)热(re) w 相(xiang)和(he) 400 ℃以(yi)
下时(shi)效形(xing)成的(de)等(deng)温(wen) w 相(xiang)导致(zhi)其(qi)合金 Young's 模(mo)量(liang)增大(da)。也有认为，亚稳β钛合(he)金(jin)在(zai) α 鼻温(wen)和马氏(shi)体
相变点(dian)间的温度时(shi)效后(hou)，可诱(you)发(fa)等温(wen)w相(xiang)的形(xing)成(cheng)，且w相(xiang)能给(gei)条(tiao)状α相(xiang)提供(gong)很好(hao)的形核地点。有(you)关(guan)是(shi)否w相颗
粒
自身(shen)转(zhuan)变(bian)成(cheng)为条状(zhuang) α 或 w/b 界(jie)面(mian)的(de)条状(zhuang) α相(xiang)仍(reng)有不(bu)同(tong)观点，但(dan) Ohmori 等[95]与 Mantani 等(deng)[96]通(tong)过(guo)
对(dui)
不(bu)同(tong)亚(ya)稳(wen)β钛(tai)合(he)金的研究(jiu)均(jun)证实了(le)w相(xiang)颗粒(li)转(zhuan)变(bian)成(cheng)条(tiao)状α相(xiang)的证(zheng)据(ju)。
Hanada和Izumi[97]研(yan)究发(fa)现(xian)，Ti-(11~18)Mo合(he)金通(tong)过(guo)冷轧(ya)变形(xing)导致(zhi)了(le)w相的形(xing)成(cheng)。为此，Zhao等[98]及(ji)
Nakai 等(deng)[99]研(yan)究脊(ji)柱内(nei)固定器用(yong) β型钛(tai)合金(jin) Ti-(15~18)Mo 时(shi)，通(tong)过(guo)变形(xing)诱发(fa) w 相(xiang)变(bian)提高了(le)合金的弹性
模(mo)量，同时(shi)发(fa)现(xian)应力诱发的 w 相变(bian)伴(ban)随(sui){332}b机(ji)械(xie)孪(luan)晶的(de)产生，从(cong)而使(shi)合金保(bao)持(chi)适当塑(su)性(xing)的同(tong)时(shi)强度提(ti)高
，尤(you)其是(shi)Ti17Mo合金(jin)的(de)弹(dan)性模量变化范(fan)围最宽(kuan)并容(rong)易(yi)发(fa)生(sheng)弯曲(qu)，且(qie)易(yi)达(da)到(dao)脊(ji)柱固(gu)定(ding)器(qi)所要(yao)求(qiu)的(de)形状(zhuang)。Nakai
等[100]也通过(guo)弯(wan)曲和(he)冷轧使合金(jin)组(zu)织(zhi)发生应力(li)诱发(fa) w相变，从(cong)而使(shi) Ti12Cr 合(he)金(jin)具有(you)自(zi)身(shen)调节其弹(dan)性模量(liang)
的功能，即(ji)在(zai)手(shou)术时通过(guo)对(dui)合(he)金(jin)局(ju)部区域进行(xing)弯(wan)曲变(bian)形(xing)来(lai)获(huo)得高(gao)的(de)弹(dan)性模(mo)量(liang)，而不(bu)变(bian)形(xing)区域 的 弹(dan) 性 模
量(liang) 保(bao) 持(chi) 不(bu) 变 。 Niinomi 等(deng)[101] 在(zai) 研 究TNTZ 自(zi)调节(jie)模量钛(tai)合(he)金方(fang)面(mian)，发现抑(yi)制无热(re) w 相(xiang)变可(ke)提高(gao)
变(bian)形(xing)诱发(fa) w相变的增(zeng)加(jia)，从而(er)导(dao)致(zhi)合(he)金模(mo)量(liang)提高(gao)，进而提高(gao)脊(ji)柱固(gu)定(ding)器(qi)的弯(wan)曲(qu)性能(neng)；另外(wai)还(hai)发(fa)现(xian)剧烈(lie)的冷加(jia)
工变(bian)形和时效、控制少(shao)量的(de) w相(xiang)能(neng)够(gou)
在(zai)保持低(di)模(mo)量和(he)良(liang)好塑性的(de)同时，提高(gao)疲(pi)劳强(qiang)度(du)，且(qie)控制(zhi)TNTZ中w相(xiang)的(de)含量(liang)，使(shi)弹(dan)性模(mo)量低于(yu)80 GPa。
本文作(zuo)者所在课(ke)题(ti)组(zu)[102,103]对 TLM 钛合金(jin)的研(yan)究表明，固溶后(hou)的(de)显微(wei)组(zu)织(zhi)为(wei) β相和(he)少(shao)量(liang)细长的(de) a
″相(xiang)，合金(jin)经(jing)低温(wen)300~500 ℃时(shi)效的(de)过程中，α相(xiang)的(de)形成(cheng)经历(li)了 b→w→a 和(he) α"→a 的 2 个相(xiang)转变(bian)过程，
微观(guan)组(zu)织揭(jie)示出 α"马氏(shi)体(ti)对亚稳 w 相(xiang)的(de)形成(cheng)具(ju)有(you)一(yi)定(ding)的(de)阻(zu)碍(ai)作用(yong)。其(qi)中固溶(rong)处(chu)理后(hou)的(de)的合金(jin)表(biao)现(xian)出(chu)低(di)模(mo)
量、适当的强度和优良(liang)塑性(xing)，而(er)在300~380 ℃长时间时效后获得不(bu)同(tong)尺(chi)寸(cun)及(ji)分(fen)布(bu)的(de) w 相颗(ke)粒(li)，其(qi)弹(dan)性模量(liang)
比(bi)固(gu)溶处(chu)理的(de)合金模量降低了(le) 20 GPa 左(zuo)右；但(dan)当(dang) w 相(xiang)长大到一(yi)定(ding)尺寸或 α相即将形(xing)成(cheng)阶段(duan)，合金弹(dan)性(xing)模(mo)
量(liang)反(fan)而(er)增大(da)。TLM 合金经(jing)大变形冷(leng)轧(ya)后(hou)还发(fa)现(xian)，其轧(ya)制方向的(de)弹性模(mo)量(liang)降低，其(qi)原因主(zhu)要是(shi)应(ying)力(li)诱(you)发(fa) α"马
氏体(ti)转变(bian)引起(qi)的织构(gou)演(yan)化所致(zhi)，而强度提高(gao)的(de)原因是马氏(shi)体演变(bian)过程中(zhong)高密度位(wei)
错(cuo)的形(xing)成及晶粒(li)细(xi)化至纳米尺寸(cun)所(suo)致(zhi)。研究(jiu)发(fa)现(xian)，影(ying)响(xiang)钛合金弹性(xing)模(mo)量 E 的贡(gong)献率按(an)相(xiang)结构(gou)依(yi)次大体(ti)为(wei)
w>a'>a>b≈α"，冷(leng)加(jia)工诱(you)发(fa)的塑性(xing)变(bian)形(xing)或(huo)应(ying)变(bian)对(dui) E 值影(ying)响很小(xiao)；而(er)对其显(xian)微硬度影响(xiang)程(cheng)度(du)
按相(xiang)结(jie)构(gou)依(yi)次大(da)体(ti)为 w>a'>a>b>α"。鉴(jian)于此(ci)，首先利用(yong)介稳(wen)定(ding)β钛(tai)合金 TLM 高(gao)温(wen)固溶
处理形(xing)成(cheng)介(jie)稳 β相或马(ma)氏(shi)体(ti) a'、α"等(deng)中(zhong)间(jian)相(过(guo)渡相)，然后利用其(qi)低(di)温时(shi)效(xiao)分解形成次(ci)生 α相、w
相等二(er)次析出(chu)相(xiang)，或(huo)利(li)用(yong)介稳(wen) β相(xiang)的(de)二(er)次变形(xing)产(chan)生(sheng)的(de)应(ying)力诱(you)发马(ma)氏(shi)体(或(huo)孪(luan)晶(jing))，就可(ke)能(neng)实(shi)现(xian)其弹(dan)性模量(liang)、
抗拉强(qiang)度等综合力学(xue)性能(neng)的优(you)良(liang)匹(pi)配调控。有(you)关 TLM 钛(tai)合金(jin)在(zai)固溶时(shi)效后的(de)显微组(zu)织演化规(gui)律(lv)及(ji)典型(xing)力(li)学(xue)
性(xing)能如(ru)图(tu)5所(suo)示。
4 、应(ying)用(yong)研究(jiu)及(ji)评价
进入(ru)21世(shi)纪(ji)以(yi)来，以钛(tai)合金(jin)为代表的(de)生物医用(yong)材(cai)料以其优良(liang)的(de)综(zong)合性能一(yi)直是(shi)临(lin)床(chuang)应(ying)用(yong)中(zhong)量大面(mian)广(guang)的重
要(yao)产品(pin)，正(zheng)在成(cheng)为(wei)全(quan)球新兴(xing)的支(zhi)柱(zhu)产业，也是(shi)世(shi)界(jie)新材(cai)料领(ling)域(yu)发展(zhan)的重(zhong)点(dian)。虽(sui)然近(jin) 20 年来我国在(zai)钛(tai)合(he)金等(deng)
医用(yong)金(jin)属(shu)材料及(ji)其医(yi)疗(liao)器械(xie)等(deng)产品的研发、生(sheng)产(chan)和应(ying)用(yong)等方(fang)面(mian)取(qu)得了长足进步(bu)，但(dan)在(zai)整体(ti)的(de)科(ke)技(ji)水平(ping)、产业(ye)
化(hua)技(ji)术和(he)市场应(ying)用等(deng)各方(fang)面(mian)与欧美(mei)日(ri)等(deng)发达国家(jia)相(xiang)比仍存(cun)在较(jiao)大(da)差距(ju)，亟(ji)需加强(qiang)对医用(yong)钛(tai)合(he)金(jin)材(cai)料(liao)的生(sheng)物(wu)学
、生物(wu)力学、表(biao)面(mian)功能(neng)改性(xing)、先进(jin)制(zhi)造(zao)技(ji)术(shu)的基(ji)础(chu)理(li)论(lun)和应用技(ji)术(shu)研究，从而促进(jin)我国钛(tai)合(he)金(jin)医疗器械(xie)的(de)研
发、应(ying)用(yong)和(he)推(tui)广。
4.1 医用钛合(he)金(jin)材(cai)料(liao)的应(ying)用(yong)概(gai)述
上(shang)世(shi)纪50年代，科(ke)研(yan)人(ren)员(yuan)用(yong)钛(tai)股(gu)骨(gu)头植入假体进(jin)行(xing)体内植(zhi)入实验，证(zheng)实骨(gu)可(ke)以(yi)长(zhang)入钛(tai)合(he)金假(jia)体[104]。
上世纪(ji)60年(nian)代(dai)末，瑞(rui)典(dian)学者Branemark在(zai)兔(tu)子(zi)体(ti)内植(zhi)入(ru)钛(tai)发(fa)现“骨整(zheng)合”现象并(bing)在 1971 年(nian)成(cheng)功开发出(chu)牙(ya)种(zhong)
植体(ti)系统[105]，给(gei)大(da)量牙(ya)缺(que)失患者(zhe)带(dai)来(lai)了(le)福(fu)音。
1961年英(ying)国(guo)骨(gu)科医生(sheng)Charnley开(kai)发(fa)了第一(yi)个(ge)低磨损全(quan)髋金(jin)属(shu)关(guan)节并(bing)成(cheng)功植(zhi)入体内(nei)，治(zhi)愈了(le)大(da)量(liang)骨(gu)性关(guan)节(jie)
炎(yan)患者(zhe)[106]。截至(zhi)目前，我(wo)国纳入《外(wai)科(ke)植(zhi)入(ru)物和矫(jiao)形器(qi)械(xie)目录(lu)》中(zhong)所涉(she)及(ji)的医(yi)械(xie)产(chan)品(pin)包(bao)括骨(gu)与(yu)关节替代(dai)
物(wu)、骨接(jie)合植(zhi)入物、脊柱植(zhi)入(ru)物、心(xin)脏(zang)和血管植(zhi)入(ru)物、颅(lu)骨修复植入物(wu)、齿(chi)科植入物及手术器械等(deng)7大类(lei)合(he)
计(ji)约(yue)1000种(zhong)，其中(zhong)所用(yong)金(jin)属材料(liao)均以Ti及(ji)钛合金(jin)为(wei)主。上(shang)述金(jin)属器(qi)械(xie)除了(le)接(jie)骨板(ban)及配套(tao)接骨螺(luo)钉(ding)和(he)手(shou)术(shu)器(qi)械(xie)
等承力小且(qie)术(shu)后(hou)或(huo) 2 a 内(nei)要拆(chai)卸(xie)取(qu)出(chu)的(de)部分低端(duan)器(qi)械(xie)产品(属 1~2 类(lei))外(wai)，人工(gong)关(guan)节(jie)、牙种植(zhi)体、脊柱(zhu)内(nei)固(gu)
定(ding)系(xi)统等大量(liang)3类(lei)高(gao)端(duan)软、硬组织(zhi)修(xiu)复和(he)替(ti)代类(lei)金(jin)属器(qi)械(xie)则需要(yao)永(yong)久留存于(yu)人体内(nei)部(bu)各个(ge)部位。
我国第(di)一(yi)个国家(jia)标(biao)准(zhun)《外(wai)科植(zhi)入物(wu)用(yong)钛及(ji)钛合金加工材，GB/T13810-1992》自 1992 年(nian)颁(ban)布实(shi)施后已(yi)经(jing)
2 次(ci)换(huan)版(ban)，但目(mu)前(qian)仍(reng)只有纯(chun) Ti (中(zhong)国牌(pai)号 TA1(TA1ELI)~TA4，美(mei)国对(dui)应(ying)牌(pai)号(hao) Gr1~Gr4)、Ti6Al4V(中国牌(pai)号
TC4、TC4ELI，美(mei)国对应(ying)牌号(hao) Gr5 或(huo) Ti64)和 Ti6Al7Nb (中国(guo)牌号(hao) TC20) 3 大(da)类钛合(he)金(jin)材料允许(xu)批量化生(sheng)
产(chan)和市(shi)场(chang)应(ying)用(yong)，尚没有(you)一(yi)个(ge)新(xin)型(xing) β型钛(tai)合金(jin)纳入(ru)国(guo)家标准(zhun)。2010年我(wo)国(guo)生(sheng)产(chan)销售的医(yi)用纯Ti 及 TC4 钛合(he)
金(jin)材料已(yi)达到 1084 t，其中(zhong)出口(kou)约占20%。截(jie)止(zhi)目前纯Ti和(he)TC4钛(tai)合(he)金(jin)仍(reng)是国(guo)际上(shang)应(ying)用最(zui)广的(de)外科(ke)植(zhi)入(ru)物专(zhuan)
用(yong)材料(liao)，但(dan)国(guo)产(chan)医用钛材(cai)由(you)于(yu)品质欠(qian)佳(jia)、尺(chi)寸精度(du)不(bu)高(gao)等(deng)原(yuan)因而(er)主要用于(yu)中(zhong)低(di)端(duan)医(yi)疗(liao)器械产品(接骨板、接(jie)
骨(gu)螺(luo)钉(ding)、外固(gu)定支(zhi)架等(deng))，对(dui)于(yu)人工(gong)关(guan)节(jie)、牙种植(zhi)体、脊(ji)柱(zhu)内(nei)固(gu)定系(xi)统(tong)等高端医疗器(qi)械(xie)生(sheng)产(chan)仍(reng)需大量(liang)进(jin)口国
外(wai)优质(zhi)钛合(he)金原材(cai)料(liao)。
国外(wai)在(zai)新(xin)型医用钛合金(jin)的开发应(ying)用(yong)走在(zai)世界(jie)前(qian)列。1994年美国率先(xian)研制新型低模量化β型医(yi)用(yong)钛(tai)合(he)金(jin)
Ti13Nb13Zr 且(qie)第(di)一(yi)个被正(zheng)式(shi)列(lie)入(ru)国际(ji)医(yi)用(yong)标(biao)准(zhun)[107]，随(sui)后美国(guo)又开发(fa)出 Ti12Mo6Zr2Fe (TMZF)亚(ya)稳定(ding) b
型钛合(he)金，2000 年(nian)被全(quan)球最大(da)的(de)骨科(ke)专(zhuan)业(ye)集团下(xia)属的Strker公司用来制(zhi)造(zao)髋(kuan)关节假(jia)体系统的(de)股骨柄(bing)，并(bing)在
中(zhong)国得(de)到临(lin)床应用[108]。日本(ben)学(xue)者也(ye)发展了一(yi)系列具(ju)有高(gao)强度低(di)模量和优(you)异(yi)生物相(xiang)容性(xing)的(de)Ti- Zr 系(xi) 合(he) 金
如(ru) TiZrNb、TiZrNbTa、TiZrAlV，其 中Ti30ZrxMo合(he)金(jin)被(bei)认(ren)为(wei)是适用于可取(qu)出植入物的最(zui)佳(jia)材料。
中国(guo)科学院(yuan)金属研究所(suo)杨锐、郝(hao)玉琳研究员(yuan)研(yan)发(fa)团队(dui)[109]研发(fa)出(chu)新型低模量化β型医用钛合(he)金(jin)Ti2448
，
并起草建立(li)了(le) 1 项(xiang)材(cai)料企(qi)业技(ji)术标准(zhun)，先后获(huo)得美国和(he)中国专利(li)授权(quan)，采(cai)用(yong)该(gai)合(he)金制(zhi)作(zuo)的(de)骨(gu)科用接骨板(ban)和
脊(ji)柱固定系统(tong)2类植(zhi)入器(qi)件(jian)已(yi)完(wan)成(cheng)临床(chuang)实验(yan)评价，威(wei)高骨(gu)科材(cai)料(liao)有限公(gong)司(si)已向(xiang)国家食品药品监督(du)管(guan)理局申(shen)报(bao)
产(chan)品注册(ce)证(zheng)，有望成(cheng)为我(wo)国(guo)最(zui)早在(zai)生物(wu)
医(yi)学(xue)工程(cheng)领域获(huo)得(de)实际应(ying)用的(de)新(xin)材料。
2003 年(nian)，本文(wen)作(zuo)者所(suo)在课(ke)题(ti)组(zu)成功开(kai)发出(chu)了(le)新型(xing)近 β型(xing)医(yi)用(yong)钛合金 TLM 并已(yi)先(xian)后(hou)取得多项(xiang)国(guo)家(jia)发(fa)明
专利(li)(ZL03153138.5)。该(gai)新材料经固溶处(chu)理后(hou)具(ju)有(you)优(you)良(liang)的(de)加工(gong)塑(su)性(xing)，采(cai)用(yong)传统(tong)压力加工设备(bei)易(yi)加(jia)工成(cheng)各种(zhong)工(gong)
业用(yong)大、中规格的(de)板(ban)、棒(bang)、管(guan)、条、锻(duan)件等(deng)常规(gui)产品(pin)，以(yi)及(ji)小(xiao)、微、细、薄(bao)等尺寸(cun)特(te)殊(shu)的(de)特种产品如(ru)超细(xi)丝
(直径≥50 mm)、毛细管(guan)(直(zhi)径(jing)≥1 mm、壁(bi)厚(hou)≥0.1 mm)、箔材(厚度(du)≥20 mm)等(deng)，已起草(cao)建(jian)立了10 余项材(cai)料
企业(ye)技术(shu)标(biao)准。TLM 钛(tai)合(he)金不(bu)仅力学(xue)性(xing)能变(bian)化(hua)区(qu)间宽广，而(er)且具有(you)一定的超(chao)弹(dan)性、记(ji)忆(yi)效应等(deng)功(gong)能特(te)性
[110]，因(yin)而可(ke)满足(zu)不同(tong)外科(ke)植(zhi)入物产(chan)品(pin)对(dui)材料(liao)力学(xue)性(xing)能的(de)设计要求。该(gai)合金已被制作成(cheng)牙(ya)种(zhong)植(zhi)体、髋关(guan)节(jie)
、颅骨修(xiu)复(fu)网板、髓(sui)内(nei)钉、脊柱内固定(ding)系统、各类(lei)接骨(gu)板及配套(tao)螺(luo)钉以及血(xue)管支架(jia)和(he)心脏起搏(bo)器用外壳(ke)等各
类器械(xie)产(chan)品(pin)，目(mu)前与国内(nei)外多所知名医疗(liao)、科研机(ji)构(gou)及医(yi)械(xie)公司(si)的生(sheng)物医(yi)学(xue)及(ji)临(lin)床(chuang)应用研(yan)究(jiu)评(ping)价(jia)等(deng)工作(zuo)仍(reng)在(zai)
持(chi)续(xu)进行中(zhong)。
4.2 医(yi)用钛(tai)合(he)金(jin)材料(liao)的(de)生(sheng)物学及其(qi)相(xiang)容(rong)性(xing)研究(jiu)
4.2.1 医用钛合(he)金材(cai)料的生物学(xue)评(ping)价概述
凡与(yu)人体(ti)接触和(he)植(zhi)入或(huo)介(jie)入人(ren)体(ti)内部的(de)各类(lei)医(yi)疗(liao)器械原(yuan)则上(shang)都(dou)存在(zai)一(yi)定的潜在风险(xian)性(xing)。医(yi)疗器(qi)械(xie)和人(ren)体(ti)
之(zhi)间(jian)的相互作(zuo)用(yong)和影响(xiang)的(de)过程(cheng)和规律非(fei)常复(fu)杂，会在器械(xie)(施(shi)体(ti))与机体(ti)(受(shou)体(ti))之间(jian)发生组织、血液、免(mian)疫(yi)和
全(quan)身(shen)反(fan)应(ying)等(deng)主要(yao)4种(zhong)生物(wu)学反(fan)应。而(er)这(zhe)些生(sheng)物(wu)学反(fan)应在临(lin)床(chuang)上(shang)也(ye)可(ke)能会(hui)出(chu)现以(yi)下并(bing)发症：(1) 渗(shen)出(chu)物(wu)反(fan)应(ying)；
(2) 感染；(3) 钙(gai)化(hua)；(4) 血(xue)栓栓(shuan)塞(sai)；(5) 肿
瘤等(deng)[111]。其(qi)中感(gan)染(ran)是外科植入(ru)器(qi)械(xie)在治(zhi)疗上最常(chang)见的(de)主要(yao)并(bing)发症(zheng)之一(yi)，其(qi)发(fa)生(sheng)率约(yue)为 1%~10%。上世纪(ji)
80 年代末(mo)临床医(yi)生对(dui) TC4 钛合(he)金(jin)人(ren)工(gong)髋关(guan)节(jie)实施翻修(xiu)手(shou)术时，已经发(fa)现其假体周(zhou)围骨组(zu)织(zhi)有(you)致(zhi)炎(yan)感染和黑(hei)
化现象(xiang)，而其(qi)表(biao)面(mian)状态(tai)欠(qian)佳(jia)诸(zhu)如耐磨性差或(huo)外(wai)加涂层脱落、降(jiang)解等也会(hui)导(dao)致植入体与骨组织之(zhi)间(jian)不(bu)能(neng)实现(xian)化
学(xue)紧密结合(he)等(deng)。另(ling)外(wai) TC4 钛(tai)合(he)金(jin)
较高(gao)的(de)弹(dan)性模量 E (约(yue) 110 GPa)与(yu)低模(mo)量的自然骨(5~30 GPa)之间(jian)的弹(dan)性不匹(pi)配(pei)可(ke)引(yin)起骨吸(xi)收、骨萎(wei)缩(suo)等(deng)
一系列并(bing)发症。因此，它(ta)们在(zai)应用(yong)于临(lin)床(chuang)前(qian)都必(bi)须(xu)进(jin)行(xing)一系列的生(sheng)物学(xue)研究和评(ping)价。有(you)关(guan)医(yi)用(yong)钛(tai)合(he)金器(qi)械的(de)
生(sheng)物(wu)学(xue)评(ping)价标(biao)准(zhun)总结于表5[112]。
4.2.2 医(yi)用(yong)钛合(he)金(jin)材料(liao)的(de)生物学(xue)性能及(ji)生(sheng)物相(xiang)容性(xing)研究(jiu)
生物相容性(biocompatibility)是(shi)指(zhi)材料与(yu)生(sheng)物(wu)体(ti)之(zhi)间相互(hu)作用(yong)后产生(sheng)的(de)各(ge)种生物(wu)、物(wu)理(li)、化(hua)学(xue)等(deng)反(fan)应(ying)
或(huo)耐受能(neng)力，即(ji)材(cai)料植入人体(ti)后与人体的相(xiang)容(rong)程(cheng)度，借(jie)此(ci)研究生物材料(liao)是否会(hui)对(dui)人(ren)体(ti)组织(zhi)造成毒(du)害(hai)作(zuo)用。对
于(yu)与人体(ti)组织接触或修(xiu)复、替代病(bing)变组(zu)织的(de)天然和(he)合成(cheng)的(de)生物(wu)材料(liao)，或(huo)是外(wai)科植(zhi)入物、微创(chuang)介入(ru)器(qi)件(jian)和(he)有源(yuan)
医疗(liao)器械(xie)，由(you)于(yu)它们间(jian)接(jie)或直(zhi)接与人体的组织(zhi)和(he)血液(ye)进行(xing)短(duan)期(qi)或长(zhang)期接触直至失(shi)效(xiao)为(wei)止，因此，生物(wu)医(yi)用材(cai)
料(liao)质(zhi)量(liang)的优(you)劣直接关系到(dao)患者的生(sheng)活(huo)质(zhi)量(liang)和生(sheng)命安(an)危，在(zai)其进(jin)入临(lin)床(chuang)应(ying)用前(qian)必(bi)须(xu)确(que)保其生物(wu)相(xiang)容(rong)性和安全(quan)性(xing)
。
Okazaki等[113]的(de)研究(jiu)揭(jie)示(shi)了纯金(jin)属(shu)的(de)细胞毒性(xing)、外科(ke)植入(ru)材料的(de)极(ji)化电阻(zu)和(he)生物(wu)相容性的关(guan)系，成为
合金(jin)元(yuan)素选(xuan)择(ze)的重要参(can)考依据，并且认(ren)为(wei)Al、V和(he)Fe这3种(zhong)元素(su)是(shi)高(gao)度细(xi)胞(bao)毒(du)性(xing)元(yuan)素(su)。大量临床研(yan)究已经证实
：TC4 钛合(he)金中(zhong)的 V 因化学性(xing)质不稳定(ding)易引起(qi)生物学上(shang)的炎(yan)性反(fan)应和(he)纤维(wei)包囊(nang)，其生物毒(du)性(xing)要超过(guo)Ni和Cr
[114]，而(er)Al被证(zheng)实会引(yin)起(qi)骨(gu)软(ruan)化(hua)、贫血和神经紊乱(luan)等症状[115]。根据(ju)纯(chun)金(jin)属(shu)及(ji)其合金的(de)生物(wu)相(xiang)容性(xing)测试可(ke)
以(yi)发现(xian)，V、Cd、Co、Hg、Cr、Ni 等(deng)元素对(dui)细(xi)胞的(de)接(jie)触(chu)毒(du)性(xing)较(jiao)强(qiang)，Al、Fe元(yuan)素(su)次之(zhi)[113,116,117]。具
有磁性的(de)Fe、Co、Ni等(deng)元(yuan)素还(hai)会对(dui)射(she)线(xian)造成阻(zu)碍(ai)，不利于患(huan)者(zhe)术后进行 CT 或(huo) MRI 检查(cha)。因此(ci)，优(you)先采(cai)用(yong)
Ti、Zr、Mo、Sn、Ta、Nb、Pd、Hf 等(deng)对于(yu)机(ji)体有(you)益(yi)或(huo)毒副作用(yong)较(jiao)小的(de)合金(jin)添(tian)加元素(su)，将(jiang)有(you)利于提(ti)高或(huo)改善
钛(tai)合金(jin)材料(liao)的生物(wu)相容(rong)性[118]。
有(you)关医用钛合(he)金材料在(zai)体(ti)内的(de)骨整(zheng)合(he)性(xing)能，人们(men)普遍(bian)认为(wei)是通过(guo)植(zhi)体(ti)材料表面(mian)与周围(wei)组(zu)织(zhi)在(zai)分(fen)子(zi)及细胞
水平(ping)上(shang)的(de)相(xiang)互作用(yong)而(er)完(wan)成(cheng)的(de)。鉴于(yu)细胞(bao)和(he)蛋白质尺(chi)寸(cun)分(fen)别(bie)是(shi) 1~100 mm 和(he) 1~10 nm[119]，因此(ci)，生(sheng)物材(cai)料
表(biao)面组织(结(jie)构)形态就(jiu)对细(xi)胞(bao)黏(nian)附(fu)、生长(zhang)和分化等产(chan)生(sheng)重(zhong)要影响。当钛(tai)合金(jin)植(zhi)入骨组(zu)织(zhi)后(hou)很(hen)快(kuai)就吸附(fu)周围血(xue)
液(ye)、组(zu)织(zhi)液中的(de)生(sheng)物(wu)大分(fen)子，如纤(xian)维(wei)粘(zhan)连(lian)蛋白(bai)、骨(gu)粘(zhan)连(lian)蛋(dan)白(bai)、纤维蛋(dan)白原(yuan)以及(ji)各种(zhong)细胞因子(zi)(如骨(gu)形成蛋(dan)白(bai)
、b-转(zhuan)化(hua)生长(zhang)因(yin)子等(deng))，然后形成生(sheng)物(wu)大分子(zi)层并引(yin)起(qi)一系列(lie)的(de)细(xi)胞学变化(hua)：细胞转化因(yin)子引(yin)导(dao)未(wei)分化(hua)间(jian)充(chong)
质(zhi)细(xi)胞、骨(gu)母细(xi)胞(bao)、成(cheng)骨细(xi)胞向植(zhi)体(ti)材(cai)料(liao)表面(mian)移行，通(tong)过细(xi)胞粘(zhan)连(lian)因子而发(fa)生贴壁(bi)，然后在细胞(bao)生(sheng)长因(yin)子的
作用下(xia)出现增殖或分化等不(bu)同(tong)生(sheng)物(wu)学(xue)反应，随(sui)后在植体(ti)材(cai)料(liao)表面产(chan)生(sheng)细胞(bao)层增殖(zhi)、分化、合成并分泌(mi)细胞外(wai)
基(ji)质(zhi)而(er)后(hou)矿化成骨。而植体(ti)材(cai)料(liao)表面(mian)的(de)理化性质(zhi)也(ye)会影响生(sheng)物(wu)大(da)分(fen)子(zi)层(ceng)的结(jie)构(gou)、组(zu)成和空间构(gou)象(xiang)，进而导(dao)致(zhi)
不同的(de)细(xi)胞(bao)学表(biao)现。
例如(ru)，材(cai)料表面(mian)超(chao)细晶化(hua)后(hou)具(ju)有较高(gao)强(qiang)度(du)、表面硬(ying)度(du)和耐磨性(xing)等特性[120]，同(tong)时材(cai)料表(biao)面组织(zhi)(结(jie)构(gou))
形态与(yu)其表(biao)面(mian)残余(yu)应力、表面能(neng)、表(biao)面电(dian)荷(he)等(deng)也高(gao)度(du)相关(guan)[121]，而研(yan)究已(yi)证(zheng)实成骨(gu)细胞(bao)对(dui)微纳(na)米尺(chi)度表(biao)面(mian)
粗(cu)糙度(du)变(bian)化(hua)的(de)响应比传(chuan)统(tong)光滑表(biao)面更(geng)敏感[122]，且多孔结构(gou)对于细(xi)胞分化功(gong)能的(de)影响(xiang)在(zai)一定范(fan)围内甚至(zhi)可(ke)
以大于材料(liao)成分对于(yu)细胞(bao)分化功能(neng)的(de)影(ying)响(xiang)。可(ke)见，骨(gu)植入(ru)材(cai)料(liao)表(biao)面(mian)选择性(xing)吸附生(sheng)物大(da)分子是影响(xiang)整个界(jie)面(mian)骨(gu)
愈合中(zhong)间过(guo)程(cheng)的(de)控(kong)制环(huan)节(jie)并(bing)可(ke)通(tong)过细(xi)胞(bao)学的不同(tong)反应表(biao)现出来(lai)，成(cheng)骨细(xi)胞在生(sheng)物(wu)材(cai)料表(biao)面的贴(tie)壁(bi)率、生长(zhang)曲(qu)
线、细(xi)胞层(ceng)碱性(xing)磷(lin)酸(suan)酶(mei)活(huo)性(xing)和(he)蛋白质(zhi)含(han)量(liang)等生(sheng)物(wu)学(xue)指(zhi)标均(jun)可反应细(xi)胞(bao)的生(sheng)长(zhang)与(yu)功能(neng)分(fen)化(hua)特性(xing)，而从组织(zhi)愈合
的一(yi)般性(xing)到骨愈(yu)合的特殊(shu)性(xing)均(jun)可较(jiao)全(quan)面(mian)地(di)反映(ying)骨科(ke)材料(liao)促进(jin)界(jie)面骨性愈合的(de)能(neng)力，因(yin)而(er)可作(zuo)为(wei)研(yan)究(jiu)和(he)评价(jia)钛
合金材(cai)料生物相容(rong)性的重要(yao)内容和评价指(zhi)标(biao)[123]。
4.3 医(yi)用(yong)钛合(he)金(jin)材料的(de)生(sheng)物力学及(ji)其(qi)相(xiang)容(rong)性研究
目(mu)前人工牙种植(zhi)体、关(guan)节等假体(ti)使(shi)用到(dao)一(yi)定(ding)时间时都会(hui)发生(sheng)松(song)动(dong)，最常发(fa)生的(de)松动为(wei)术后(hou)晚期(qi)松(song)动(dong)，或(huo)
称“无(wu)菌(jun)性(xing)松(song)动”、“机(ji)械(xie)性(xing)松动”。术后晚期(qi)松动(dong)是(shi)一(yi)个(ge)渐(jian)进过(guo)程(cheng)，随着骨(gu)与假(jia)体(ti)间机(ji)械连(lian)接(jie)完整性(xing)逐(zhu)渐
遭(zao)到(dao)破(po)坏(huai)，在(zai)两者之间会(hui)形(xing)成(cheng)一(yi)层纤维结缔(di)组织(zhi)，它随(sui)时(shi)间(jian)慢慢(man)增厚(hou)并(bing)最(zui)终(zhong)导(dao)致假(jia)体松(song)动[106]。长期(qi)临(lin)床(chuang)
应用研(yan)究已(yi)经(jing)证实(shi)，早(zao)期(qi)纯Ti牙(ya)种植体术
后 5~9 a 的(de)随(sui)访发(fa)现，位于上(shang)、下颌骨的(de)种(zhong)植牙(ya)松动(dong)率分别是 19%和(he) 9%[105]。Ti6Al4V 钛合金(jin)牙(ya)种(zhong)植体(ti)
植入(ru)病人口腔6个(ge)月后(hou)因生物(wu)力学(xue)设(she)计不当(dang)出现了(le)植(zhi)体(ti)提(ti)前折(zhe)断(duan)现象
[124,125]。尽管目(mu)前牙(ya)种植(zhi)体的(de)手术成(cheng)功率已(yi)普(pu)遍(bian)超(chao)过(guo) 95%，但(dan)对(dui) 10 a 植入(ru)的患者跟踪研究(jiu)显(xian)示(shi)，钛牙(ya)
种植体(ti)由于假(jia)体失(shi)效(xiao)带来的翻修手术(shu)仍(reng)维持(chi)在(zai) 5%左右(you)[126]。Ti 人(ren)工髋(kuan)关节(jie)也存(cun)在(zai)类似(shi)问(wen)题(ti)：术(shu)后(hou)8~10 a
，约(yue)90%的关节(jie)假(jia)体都(dou)需要二次(ci)手(shou)术(shu)翻修，与自(zi)然骨的(de)生物力学(xue)设计(ji)不(bu)佳(jia)导(dao)致的假(jia)体松(song)动(dong)、下沉(chen)或(huo)折断也(ye)是
其主(zhu)要原因并(bing)占(zhan)所有翻修手术(shu)的80%[119]。
生(sheng)物(wu)力(li)学(xue)(biomechanics)是从(cong)生物体(ti)、器官、组(zu)织到细胞(bao)乃(nai)至分子等不(bu)同(tong)层次研究(jiu)生命(ming)中(zhong)应力与(yu)运动、
变(bian)形、流动乃至生长关系(xi)的(de)重要学(xue)科。人体(ti)始终(zhong)处(chu)于力(li)学(xue)环境之中(zhong)且大(da)多(duo)数(shu)组(zu)织都含有力(li)学敏(min)感细(xi)胞(bao)，如成
骨(gu)和(he)软(ruan)骨(gu)细胞(bao)等，许(xu)多重(zhong)要临(lin)床现象(xiang)和应用与生(sheng)物(wu)力(li)学(xue)直(zhi)接相关(guan)，例(li)如(ru)牵张(zhang)成(cheng)骨(gu)、骨修复(fu)与重建(jian)、不(bu)同(tong)应(ying)力(li)
环(huan)境与(yu)组(zu)织(zhi)再(zai)生的关系等(deng)。骨科(ke)生(sheng)物
力学已经(jing)成(cheng)为(wei)当今生(sheng)物(wu)医学(xue)工程领(ling)域一门(men)基(ji)础科学(xue)和工程(cheng)学(xue)科。而生(sheng)物力(li)学相容性(xing)(biomechanical
compatibility)是指(zhi)植入材料要(yao)有足够的(de)强(qiang)度，能够(gou)将载(zai)荷(he)均(jun)匀、连(lian)续、持久(jiu)地(di)传递(di)到体内待(dai)治(zhi)疗骨(gu)、齿硬
组(zu)织(zhi)上(shang)，并(bing)使(shi)施(shi)体与(yu)受体(ti)之间(jian)在结合(he)界面(mian)处(chu)发生(sheng)较好地匹(pi)配(pei)、共(gong)存和相互(hu)协(xie)调的能(neng)力(li)[111]。当植(zhi)入(ru)材料超(chao)
过(guo)弹性允(yun)许应变(bian)而(er)发(fa)生(sheng)塑性(xing)变(bian)形(xing)时，即(ji)意味着(zhe)植入材料(liao)随(sui)后会产生失效(xiao)。判定植(zhi)入(ru)材料和(he)周围骨(gu)组织弹(dan)性(xing)形
变(bian)是否(fou)匹(pi)配，必(bi)须(xu)考(kao)虑(lv)材(cai)料强度(du)(硬度(du))、刚(gang)度(du)(弹性模量(liang))、疲(pi)劳(lao)性(xing)能(neng)(疲(pi)劳(lao)极(ji)限)、超弹性(xing)(应力-应(ying)变(bian)行为)
等(deng)诸(zhu)多力(li)学(xue)性能(neng)因(yin)素。而(er)弹性模量(liang) E 是(shi)材(cai)料在(zai)弹性(xing)变(bian)形阶段应(ying)力 s 和(he)应(ying)变 e 的比(bi)值(即(ji)E=s/e)，代(dai)表材料(liao)
的(de)刚(gang)度指(zhi)标，它(ta)反(fan)映了材料内部(bu)原子、离子或分子(zi)间的(de)结合力(li)，通(tong)常是恒(heng)定(ding)值，与材(cai)料(liao)强度(du)呈正(zheng)相(xiang)关(guan)。弹性(xing)
允许(xu)应变(Rp/E，其(qi)中(zhong)Rp为(wei)材(cai)料(liao)的(de)屈服(fu)强(qiang)度(du))是反映(ying)材(cai)料(liao)在不发生塑性变(bian)形(xing)前(qian)所(suo)能承受(shou)的可恢复(fu)原有(you)弹(dan)性(xing)变形
的(de)能力(li)。据(ju)临(lin)床(chuang)专(zhuan)家统(tong)计(ji)测算，每(mei)年正(zheng)常(chang)成(cheng)年(nian)人用(yong)于一(yi)日三餐(can)等(deng)咀(ju)嚼运(yun)动平均(jun)约(yue) 100 万次
(106)，这(zhe)与人体一(yi)侧(ce)髋关节每年运动周(zhou)期数相(xiang)当[127]，特别是(shi)在一个正常的(de)步态(tai)周(zhou)期内，人
的髋(kuan)、膝和踝关节会(hui)承受(shou)高(gao)达(da)3~10倍(bei)于体(ti)重(zhong)的载(zai)荷，从(cong)而可(ke)导致(zhi)骨骼(ge)局部产(chan)生(sheng)非常高(gao)的(de)应(ying)力[106]，而且(qie)疲
劳(lao)破(po)坏还可以(yi)在(zai)应(ying)力(li)低于弹性(xing)极限(xian)时(shi)发(fa)生。据权威资料报(bao)道[106]，健(jian)康(kang)成(cheng)年(nian)人(ren)皮(pi)质骨所(suo)承受的最大(da)弹(dan)性应(ying)
变(bian)约为1%左(zuo)右，而松质(zhi)骨(gu)所承受的(de)最(zui)大弹(dan)性(xing)应(ying)变可达(da) 4%。健康(kang)成(cheng)年(nian)人(ren)的(de)皮质骨力(li)学性能(neng)随着(zhe)年龄的增长(zhang)而(er)
缓(huan)慢降(jiang)低(di)，从(cong)20岁(sui)到90岁(sui)，皮质(zhi)骨(gu)的抗拉(la)强度和(he)弹性模(mo)量(liang)每(mei)10 a减(jian)小(xiao)2%。这就对金(jin)属(shu)植入(ru)材(cai)料在长(zhang)期(qi)动态(tai)服
役(yi)条件(jian)下(xia)的强度(du)、刚度(du)、弹性允许(xu)应(ying)变和(he)疲劳力(li)学性能(neng)提出(chu)了更高的生物(wu)力学相容(rong)性的设计(ji)要求(qiu)。
科(ke)研人(ren)员通过(guo)对(dui)纯(chun) Ti 和(he) TC4 钛(tai)合金牙种(zhong)植体(ti)失(shi)效(xiao)断裂机(ji)制分析(xi)证(zheng)实(shi)[128]，具(ju)有高(gao) E 值(zhi)的(de)钛牙种(zhong)植
体植(zhi)入(ru) 10~15 a 后部(bu)分(fen)植(zhi)体(ti)出(chu)现松动(dong)、脱(tuo)落、断(duan)裂(lie)等(deng)情(qing)况(kuang)，这(zhe)与(yu)人咀嚼时受(shou)到(dao)反复载(zai)荷作(zuo)用而(er)产生(sheng)应力遮(zhe)
挡(dang)和疲(pi)劳(lao)损伤(shang)密切(qie)相(xiang)关(guan)。在(zai)长期循环(huan)应(ying)力作用下，钛合金(jin)材料(liao)也会(hui)出(chu)现 E 值(zhi)降低(di)而发(fa)生刚(gang)性软化的现(xian)象
[129]。Niinomi 等(deng)[34]则研(yan)究(jiu)了一(yi)种(zhong) E 值(zhi)可(ke)调(diao)控(kong)的(de)β型钛合金(jin)，即在反(fan)复(fu)弯曲(qu)变(bian)形时(shi)，由于(yu)原始b基体(ti)上(shang)
析
出大(da)量(liang)非平衡(heng)中间过渡(du)相(xiang)w相(xiang)组织(zhi)而使合(he)金(jin)弹性模量不(bu)降(jiang)反(fan)增。如(ru)果植入(ru)材(cai)料的(de)E值低(di)于骨组(zu)织(zhi)，植(zhi)入(ru)体(ti)过大(da)
的形变(bian)将(jiang)超过(guo)周围骨组织(zhi)自身(shen)的应(ying)变或弹性(xing)允(yun)许范(fan)围(wei)，长(zhang)期(qi)服役下将会(hui)造(zao)成两者(zhe)发生相对(dui)移(yi)动并使(shi)植入体(ti)产(chan)
生(sheng)疲(pi)劳(lao)损(sun)伤并(bing)最(zui)终(zhong)失效。另外(wai)，骨(gu)的生理成长(zhang)环境(jing)也(ye)要(yao)求Ti植(zhi)体的弹性允许(xu)应
变(bian)应与(yu)其(qi)相(xiang)匹配(pei)，如(ru)人体(ti)皮(pi)质骨的Rp/E为(wei)0.67%，它(ta)与纯 Ti (0.66%)的(de)接(jie)近，而(er) TC4 合(he)金 Rp/E 值较高
(0.85%)[130]，这(zhe)显然(ran)不利(li)于(yu)植(zhi)入(ru)体保(bao)持(chi)长(zhang)期(qi)的(de)生物力学(xue)稳(wen)定(ding)性(xing)。
近年来，有(you)限元分(fen)析方法成为(wei)外(wai)科植(zhi)入物的生(sheng)物(wu)力(li)学研究、评价和(he)指导其产(chan)品(pin)设(she)计(ji)开发(fa)的有(you)效辅(fu)助手(shou)段
。目(mu)前多(duo)数(shu)研究者(zhe)[131]普遍证实(shi)：植体(ti)材(cai)料(liao)本身(shen)过(guo)高(gao)的(de)弹性(xing)模量(liang)可导(dao)致(zhi)钛牙(ya)种植体(ti)根(gen)部尖端(duan)处的应(ying)力(li)过于(yu)
集(ji)中(zhong)而其颈(jing)部出(chu)现(xian)“应(ying)力遮(zhe)挡(dang)”或“应力(li)屏蔽(bi)”现象(xiang)(植(zhi)入(ru)体材(cai)料与骨(gu)组织两(liang)者(zhe)之(zhi)间(jian)应(ying)力(li)传导(dao)和(he)分(fen)布与(yu)原有(you)
骨组(zu)织生理功(gong)能(neng)不(bu)吻合)，而降(jiang)低(di)材(cai)料(liao)本
身(shen)的(de)E则有利于(yu)将(jiang)种植(zhi)体所(suo)承受的载(zai)荷(he)以压应(ying)力(li)等(deng)形(xing)式(shi)传(chuan)递(di)到周围骨组(zu)织(zhi)中(zhong)去(qu)，从(cong)而(er)可(ke)使得种植体与骨(gu)组(zu)织(zhi)
之间(jian)的(de)结合(he)强度(du)增高(gao)，促使种(zhong)植体四周形成(cheng)的新骨厚度(du)增加[106]。例(li)如(ru)，Shibata 等[132]采(cai)用(yong)有(you)限元(yuan)模拟(ni)
研究(jiu)发现，钛合金假(jia)体(低(di) E 值)远端的(de)骨应力(li)比钴(gu)合(he)金(jin)(高(gao) E 值)低 30%，造(zao)成假(jia)体(ti)远(yuan)端(duan)比近(jin)端(duan)的(de)骨质(zhi)疏松
严重(zhong)；在皮(pi)质骨(gu)区域，钛合(he)金微孔(kong)假体(ti)柄部(bu)骨质(zhi)长入(ru)量高于钴(gu)合金 20%~30%。对(dui)于目(mu)前(qian)市场(chang)上主(zhu)流的非骨(gu)水(shui)
泥型(xing)(生物型(xing))髋(kuan)关(guan)节柄近骨(gu)端采(cai)用多孔化(hua)或(huo)涂(tu)层(ceng)等处理(降(jiang)低(di) E)，其(qi)设(she)计理念，一(yi)是为了(le)将(jiang)所承受(shou)的应(ying)力传
导(dao)至(zhi)近(jin)骨端(duan)而非(fei)远(yuan)端(duan)骨(gu)组织，从而有利于减(jian)少应力遮挡(dang)和(he)适应(ying)性骨吸收(shou)；二(er)也(ye)有(you)利(li)于(yu)以(yi)后(hou)可能(neng)的(de)翻修手术(shu)
[106]。但(dan)是，研究(jiu)者(zhe)们(men)利(li)用有(you)限(xian)元数值(zhi)模拟计(ji)算得到的(de)最(zui)佳弹(dan)性模量区(qu)间为(wei)10~70 GPa[133]。
本(ben)文作(zuo)者(zhe)所(suo)在课题(ti)组(zu)[134]研(yan)发的(de)新(xin)型(xing)介(jie)稳(wen)定(ding)β型TLM 钛(tai)合金，该材料(liao)在加工(gong)和(he)热处(chu)理(li)过程中(zhong)，通(tong)过(guo)“
马(ma)
氏(shi)体转变(bian)”和中间过(guo)渡(du)相(xiang)“w 相”等显(xian)微组(zu)织(zhi)调(diao)控(kong)，可获(huo)得(de)高(gao)强度(du)、低(di)模量及(ji)其它(ta)综合(he)生(sheng)物力(li)学(xue)性(xing)能(neng)匹(pi)配(pei)。
例如，当(dang)合(he)金(jin)弹性模(mo)量为 50 GPa 时(shi)，其抗拉强(qiang)度约为 600 MPa、弹(dan)性允许应变为 0.62%，而(er)延伸(shen)率(lv)可达到(dao)
40%以上，较纯Ti具有明(ming)显的(de)优势；当抗(kang)拉强度达到 1000 MPa 时(shi)，其(qi)弹(dan)性(xing)模量约(yue) 90 GPa，而(er)此时材(cai)料(liao)延伸(shen)
率(lv)仍可(ke)达到 15%，这是目(mu)前(qian)常(chang)用(yong)的(de)医(yi)用(yong) TC4 (TC4 ELI)合金所远(yuan)不及(ji)的(de)。因(yin)而(er)TLM钛(tai)合金在静(jing)态条(tiao)件下展现(xian)
出良好(hao)的(de)生(sheng)物(wu)力学(xue)相(xiang)容(rong)性(xing)。而(er) TLM 钛(tai)合(he)金材(cai)料(liao)经(jing)循环加载(zai)和(he)疲(pi)劳(lao)实(shi)验(yan)后(hou)仍(reng)具有较高的疲劳强(qiang)度(du)极(ji)限(xian)
(sN≥500 MPa，循环(huan)次数(shu)为(wei)107 cyc)和可(ke)恢(hui)复应变(emax-R≤2.25%)，因此(ci)TLM钛合金(jin)有望在长(zhang)期(qi)动态(tai)负载(zai)条(tiao)
件(jian)下继续(xu)保持原有自(zi)身优良(liang)的(de)生(sheng)物力学(xue)相容性(xing)[135]。
4.4 医用钛合(he)金(jin)材料(liao)的表面(mian)改(gai)性及功能化研究
4.4.1 医用(yong)钛合金材(cai)料(liao)的(de)表(biao)面改性技术(shu)概(gai)述(shu)
提高钛(tai)合(he)金(jin)表(biao)面的生物(wu)活性(xing)、耐(nai)磨(mo)性、抗(kang)凝血性等(deng)功(gong)能(neng)特性并以此改(gai)善(shan)钛合金的(de)生(sheng)物相容(rong)性(xing)，已成(cheng)为近(jin)
年(nian)来科技(ji)工作(zuo)者努力(li)的(de)发展(zhan)方向(xiang)。例如(ru)，采(cai)用(yong)各种物(wu)理和化(hua)学方法(fa)在医(yi)用(yong)钛合(he)金(jin)表(biao)面(mian)制(zhi)备(bei)一层(ceng)与(yu)钛(tai)合金基体(ti)
结合(he)良(liang)好的活(huo)性(xing)陶瓷(ci)涂层(ceng)或(huo) TiO 及其(qi)复合(he)涂(tu)层(ceng)、嫁(jia)接大分(fen)子等，进(jin)而研(yan)究涂层(ceng)与(yu)细胞(bao)生(sheng)物化(hua)学反应(ying)，植入
物与(yu)组织的相(xiang)互作(zuo)用。目(mu)前(qian)热(re)点(dian)研究(jiu)的生
物(wu)活性陶瓷(ci)涂(tu)层体系主要包(bao)括羟(qiang)基(ji)磷灰石(HA)[136]、氟磷灰(hui)石(FA)[137]、生物玻璃[138]等(deng)，而阳极(ji)氧化
法(fa)、微弧氧(yang)化(hua)法(fa)、等离(li)子喷(pen)涂(tu)、溶胶(jiao)凝(ning)胶(jiao)法(fa)、磁控(kong)溅射法、离子束(shu)动态(tai)混(hun)合(he)法(fa)、激发(fa)物激光沉(chen)积(ji)法(fa)等(deng)技(ji)术(shu)仍
是(shi)当(dang)前(qian)研究者(zhe)普(pu)遍(bian)常(chang)用(yong)的主(zhu)要方法(fa)。
钛合(he)金(jin)作(zuo)为(wei)心脏瓣(ban)膜、血(xue)管(guan)支架(jia)等与(yu)人体(ti)血(xue)液接(jie)触(chu)器械产品(pin)的主要原材料，大量的实验证(zheng)明(ming)裸(luo)支(zhi)架(jia)植入
血(xue)管后会诱(you)导内皮细(xi)胞生长因(yin)子(zi)的激活从而(er)导致内(nei)皮细胞增殖、迁(qian)移，并进而诱发平(ping)滑(hua)肌细胞增(zeng)生(sheng)，最终引
发(fa)血(xue)栓(shuan)形成而(er)导(dao)致支(zhi)架(jia)再(zai)狭窄。离子(zi)注入法(fa)等(deng)表面(mian)改(gai)性方(fang)法可有(you)效(xiao)提高医用钛合(he)金表(biao)面的血(xue)液(ye)相容(rong)性(xing)，通(tong)过
表(biao)面修(xiu)饰使支架(jia)具有更(geng)好(hao)的血(xue)液相(xiang)容性(xing)[139]。
人工(gong)关节材(cai)料要(yao)求具(ju)备足(zu)够(gou)的(de)耐(nai)磨性(xing)，否则因(yin)经(jing)常(chang)的(de)微(wei)动(dong)和磨损而(er)提前引(yin)起(qi)假(jia)体松(song)动失(shi)效(xiao)。针对(dui)医用钛(tai)
合(he)金耐(nai)磨(mo)性(xing)相对(dui)较(jiao)差问(wen)题(ti)，目前有关(guan)钛(tai)合金耐磨涂(tu)层(ceng)制(zhi)备(bei)方法(fa)主要(yao)包(bao)括热(re)喷(pen)涂、电镀与化学(xue)镀、物理(li)和(he)气相(xiang)
沉(chen)积、离子(zi)注(zhu)入(ru)、磁(ci)控(kong)溅(jian)射(she)、微(wei)弧(hu)氧(yang)化(hua)法(fa)以(yi)及表面复合处(chu)理(li)等技术(shu)，常用(yong)的耐磨表面(mian)涂(tu)层有类(lei)金刚石膜、
TiN 涂(tu)层等。其(qi)中离(li)子注入(ru)技术不(bu)仅可(ke)以(yi)改善(shan)钛(tai)合金的(de)表(biao)面(mian)硬(ying)度(du)、降(jiang)低材(cai)料(liao)表面摩擦(ca)系数(shu)，还(hai)可以进(jin)一(yi)步将
表(biao)面功(gong)能改(gai)性(xing)，比如(ru)在 Ti 表面注(zhu)入(ru)Ca2+，能够(gou)加速在材(cai)料表面(mian)形成(cheng)Ca3(PO4)2，促(cu)进成(cheng)骨(gu)细(xi)胞(bao)在材料表(biao)面(mian)
的(de)黏(nian)附(fu)生(sheng)长，更(geng)有(you)利(li)于(yu)形成新(xin)的骨组(zu)织[140,141]。而(er)在(zai) Ti-Ni 合金(jin)中(zhong)等(deng)离子(zi)浸没离子注入 N，能(neng)显(xian)著减少(shao)
Ni+的释放，在不影(ying)响其(qi)记忆功能(neng)的(de)前(qian)提下(xia)降(jiang)低生物毒性(xing)[142]。
针(zhen)对钛合(he)金(jin)表面(mian)微(wei)纳米化(hua)后(hou)其(qi)表面(mian)纳(na)米(mi)结构有利(li)于(yu)体(ti)内(nei)细胞(bao)的(de)黏(nian)附、分化和(he)增(zeng)殖的特点，研究者(zhe)们(men)研究
和开发出了3种(zhong)可(ke)实现(xian)金(jin)属(shu)材料表面(mian)微(wei)纳(na)米化(hua)的(de)常用方法(fa)：(1) 表面(mian)涂层：将具(ju)有纳(na)米尺(chi)度(du)的颗(ke)粒(li)固结在材(cai)
料表面(mian)，形成(cheng)一(yi)个(ge)与基(ji)体化学(xue)成分(fen)相同(或(huo)不同)的(de)纳(na)米(mi)结构表层(ceng)，其主(zhu)要(yao)特征(zheng)是(shi)纳米(mi)层(ceng)的(de)晶粒(li)大小较均(jun)匀，
表层与(yu)基(ji)体(ti)之(zhi)间存在明显(xian)界(jie)面(mian)，通过(guo)工艺(yi)参(can)数(shu)可(ke)以调控纳(na)米层(ceng)的厚度(du)和(he)晶(jing)粒(li)尺(chi)寸(cun)，但材(cai)料(liao)外(wai)形尺寸(cun)与(yu)处(chu)理(li)前相比略有(you)增(zeng)加(jia)。该技(ji)术(shu)的(de)关键是(shi)如(ru)
何(he)实现表层与基(ji)体以及表层纳(na)米颗粒之间(jian)的牢(lao)固结(jie)合(he)，并(bing)保(bao)证表层不发(fa)生(sheng)晶粒(li)长大(da)；(2) 表(biao)面自身微纳米(mi)化(hua)
：对于多(duo)晶(jing)材(cai)料采用(yong)非(fei)平(ping)衡(heng)处(chu)理(li)方(fang)法(fa)可(ke)增(zeng)加材料表(biao)面(mian)粗糙度(du)和(he)自(zi)由能(neng)，使(shi)原(yuan)始粗(cu)晶组织逐(zhu)渐细(xi)化至(zhi)微(wei)纳米量
级，其主(zhu)要(yao)特征是晶粒尺寸(cun)沿厚度(du)方向逐(zhu)渐增(zeng)大(da)，纳(na)米层(ceng)与基(ji)体之(zhi)间不存(cun)在界面，材料与(yu)处(chu)理(li)前相比其外形
尺(chi)寸(cun)变(bian)化(hua)不(bu)大。目(mu)前(qian)表面机(ji)械(xie)加(jia)工(gong)处(chu)理(li)和(he)非(fei)平(ping)衡热力(li)学法(fa)是采用(yong)非平衡(heng)过程实(shi)现(xian)表(biao)面微纳(na)米化的(de)2种主要(yao)方
法(fa)；(3) 混合方(fang)式(shi)：将(jiang)表面(mian)纳米化(hua)技(ji)术与化(hua)学(xue)处理有(you)机(ji)结合(he)，即(ji)在(zai)材料的(de)纳米(mi)结构(gou)表(biao)层(ceng)形(xing)成(cheng)与基(ji)体(ti)成分不同
的(de)微(wei)纳米晶(jing)固(gu)溶(rong)体或化(hua)合(he)物(wu)，该方法(fa)因(yin)综(zong)合(he)了(le)上(shang)述方(fang)法的(de)优(you)点而(er)更显实用化(hua)。
目(mu)前医用(yong)钛合(he)金的表(biao)面纳米化研(yan)究(jiu)多(duo)数集中(zhong)在由(you)表面机(ji)械加工处(chu)理导(dao)致的(de)表(biao)面(mian)自身(shen)纳(na)米化(hua)。
主要方法(fa)包(bao)括机(ji)械研磨(mo)、超声(sheng)喷丸、高速冲(chong)击(ji)等(deng)。而表面机械(xie)研磨(mo)处理方法(fa)(SMAT)是近年(nian)来(lai)新兴(xing)的(de)一(yi)种(zhong)
表面纳米化技(ji)术(shu)，其操作简单(dan)，在(zai)表(biao)面纳米晶(jing)与(yu)基体(ti)组织之间(jian)不(bu)发生(sheng)剥层和(he)分(fen)离，应(ying)用(yong)潜力巨(ju)大(da)，可为(wei)研究
强烈塑性(xing)变(bian)形(xing)导致的晶粒细化(hua)及其力(li)学行为(wei)提供(gong)理(li)想条件(jian)[143]。金属材料表(biao)面微纳米化(hua)后(hou)赋(fu)予其新的(de)表(biao)面
结(jie)构(gou)和状态，它不仅(jin)保持(chi)甚至(zhi)提高了(le)材(cai)料自身的(de)力(li)学(xue)性(xing)能，而(er)且使(shi)其(qi)具有(you)了(le)纳(na)米(mi)生物学(xue)的优点(dian)。
4.4.2 医用钛(tai)合(he)金(jin)材料(liao)的表面改(gai)性及(ji)其(qi)功(gong)能(neng)化研究(jiu)
鉴于天然(ran)骨(gu)主要(yao)由具(ju)有(you)微(wei)纳米结(jie)构(gou)的 HA组(zu)成(cheng)，对于(yu)骨科(ke)和(he)齿科材料而言(yan)，设(she)计(ji)和获(huo)取材料(liao)具有(you)微(wei)纳米
尺度的(de)粗糙度(du)表面(mian)显(xian)然很有(you)必要。研(yan)究(jiu)[144]发现，具(ju)有(you)纳米(mi)拓(tuo)扑(pu)结构(gou)的粗糙(cao)表(biao)面对(dui)成(cheng)骨细(xi)胞(bao)的(de)增(zeng)殖(zhi)和分(fen)化
较(jiao)平(ping)滑(hua)表(biao)面敏感(gan)度增(zeng)强(qiang)，且材料(liao)比表(biao)面(mian)积(ji)及(ji)表面(mian)能随(sui)着(zhe)其(qi)表(biao)面粗糙(cao)度(du)增加而提(ti)高，这促(cu)使(shi)成骨(gu)细(xi)胞(bao)的黏附(fu)、
增(zeng)殖、碱性(xing)磷酸酶活(huo)性以及含(han)钙矿(kuang)物质(zhi)沉(chen)积能力相(xiang)应提(ti)高。因此，表面(mian)微纳(na)米(mi)化(hua)有利于提高(gao)钛合金表面活(huo)性
，改(gai)善(shan)其(qi)生物相容(rong)性(xing)。
钛(tai)合金(jin)表(biao)面(mian)氧化(hua)膜(mo)带负(fu)电荷(he)可抑制血栓(shuan)形成，提(ti)高(gao)了(le)其血液(ye)相(xiang)容性(xing)。而(er)钛(tai)合金中(zhong) Zr、Nb、Ta 等元(yuan)素易(yi)
形成 ZrO2、Nb2O3、Ta3O5等(deng)硬质(zhi)表(biao)面氧化(hua)膜(mo)，其致密(mi)表面可(ke)抑(yi)制金(jin)属(shu)离子溶出、提(ti)高耐(nai)蚀(shi)性，而(er)其表面(mian)硬(ying)
度提(ti)高也加(jia)强(qiang)了(le)原表面 TiO2层(ceng)保护性，提(ti)高了耐磨性。已(yi)有(you)研究(jiu)表明，超细(xi)晶或(huo)纳米晶化处(chu)理后(hou)的(de)钛(tai)合金(jin)
的(de)弹性模量降(jiang)低，与(yu)皮(pi)质(zhi)骨弹性(xing)模量(liang)更(geng)接近；而且其(qi)硬(ying)度也(ye)有一(yi)定(ding)增(zeng)强(qiang)，减(jian)少(shao)了(le)骨关节面(mian)磨(mo)屑的(de)产生，从而(er)
提高了(le)钛合金的生物(wu)力学(xue)相(xiang)容性。因此将表(biao)面(mian)微纳米化技(ji)术应用(yong)到(dao)人(ren)工(gong)关节、牙(ya)种植体(ti)与(yu)骨(gu)关(guan)节(jie)摩(mo)擦(ca)磨损(sun)接
触的(de)界(jie)面，将有(you)助(zhu)于延(yan)缓假(jia)体松动(dong)的发(fa)生。Hélary等[145]、Hoshikawa等[146]、Pegg等(deng)[147]、Zhang等(deng)
[148]、Neoh等(deng)[149]分(fen)别(bie)将苯(ben)乙烯(xi)磺(huang)酸钠(na)、甲基(ji)硅(gui)氧(yang)烷、醋(cu)酸乙(yi)烯(xi)酯、丝(si)、壳聚糖、葡聚糖、RGD 肽等(deng)引(yin)入(ru)
钛合(he)金(jin)表面，该(gai)功能化表(biao)面(mian)大大提(ti)高(gao)了涂(tu)层的生物活性(xing)。Rychly等(deng)[150]利(li)用(yong)在植入材料(liao)与(yu)细胞之间基(ji)体(ti)透
明质(zhi)酸(suan)带(dai)负(fu)电的(de)特(te)性，在(zai)钛合(he)金表(biao)面(mian)嫁接(jie)功(gong)能化氨(an)基(ji)，引(yin)导(dao)成(cheng)骨细胞，进(jin)而引(yin)导骨形成。而采(cai)用细(xi)胞(bao)学(xue)和分(fen)
子(zi)生(sheng)物(wu)学(xue)方(fang)法将(jiang)蛋(dan)白(bai)质(zhi)、细(xi)胞(bao)生(sheng)长(zhang)因子(zi)、酶等固(gu)定在支(zhi)架(jia)表(biao)面(mian)，可有(you)效提高钛(tai)合(he)金(jin)的(de)血液相容性，减(jian)少并(bing)发(fa)症，引(yin)导(dao)内(nei)皮细(xi)胞(bao)快(kuai)速(su)准(zhun)确(que)定向(xiang)生(sheng)长，加(jia)快植(zhi)入物内皮(pi)化速度(du)。将具(ju)有(you)生物(wu)活(huo)性(xing)的(de)分(fen)子(zi)固(gu)定在血
管(guan)内支(zhi)架(jia)，可(ke)以明(ming)显地(di)降(jiang)低(di)纤维蛋白(bai)原的吸(xi)附(fu)、沉(chen)积以(yi)及(ji)血(xue)小板的(de)活化(hua)，显现出(chu)极好的(de)生(sheng)物(wu)相(xiang)容(rong)性。Huang
等(deng)[151]通(tong)过(guo)表面机(ji)械磨(mo)损处理(li)(SMAT)在新(xin)型TLM合(he)金(jin)上(shang)制(zhi)备出纳米(mi)和(he)超细(xi)晶(jing)粒的b-Ti层，且纳米晶(jing)层表(biao)面(mian)的
成(cheng)骨细(xi)胞(bao)黏附、增殖、成(cheng)熟和矿化的(de)显着(zhe)增强(qiang)。本(ben)文作者所在(zai)课(ke)题组(zu)采用(yong)将纳米(mi)管预涂(tu)层制备(bei)、载(zai)银处(chu)理(li)与
微(wei)弧(hu)氧(yang)化(hua)技术(shu)相(xiang)结(jie)合(he)以(yi)及一(yi)步电(dian)化学(xue)法在(zai) TLM 合金(jin)上制备(bei)出(chu) 2 种(zhong)活性抗菌涂(tu)层，涂层表(biao)面 Ag 元(yuan)素(su)质(zhi)量(liang)分
数(shu)分(fen)别达到 3.1%和3.6%，平(ping)板涂布(bu)法(fa)测(ce)试(shi)发(fa)现(xian)2种(zhong)抗(kang)菌(jun)涂层(ceng)在1 d后(hou)对(dui)金黄(huang)色(se)葡(pu)萄球菌(jun)的抑(yi)菌(jun)率分别(bie)达(da)到
99.1%和98.7%，且在(zai) 4 d 后(hou)对金(jin)黄(huang)色(se)葡萄球菌(jun)的(de)抑(yi)菌率仍保(bao)持在(zai)90.2%和(he) 86.3%，与同期无(wu) Ag 对照(zhao)样相(xiang)比
抗(kang)菌效果(guo)显(xian)著(zhu)。该研发团(tuan)队(dui)还采用(yong)去(qu)合(he)金(jin)化(hua)法(fa)在 TLM 钛合金表面(mian)制备(bei)出了(le)具有纳米尺度(du)的(de)微孔(kong)层，该(gai)纳米(mi)
微(wei)孔层(ceng)没有引入(ru)复(fu)杂(za)的、较(jiao)脆弱的(de)陶(tao)瓷或(huo)高分(fen)子(zi)涂(tu)层(ceng)，不(bu)存(cun)在结(jie)合强(qiang)度(du)差(cha)的临床应(ying)用难(nan)题；并(bing)且(qie)人体组(zu)织直(zhi)
接(jie)与(yu)植(zhi)入(ru)物结(jie)合(he)而不存在(zai)额外(wai)界面，不仅没有涂(tu)层(ceng)脱(tuo)落的(de)风险，而(er)且(qie)组织(zhi)/骨结合率与(yu)结(jie)合(he)强(qiang)度(du)高，可(ke)实现(xian)
快(kuai)速(su)骨(gu)整合与(yu)压力承(cheng)载(zai)。细(xi)胞(bao)实(shi)验结(jie)果表(biao)明(ming)，去合金(jin)化TLM钛合(he)金(jin)具(ju)有更高(gao)的亲水性(xing)和细胞黏附率，黏附细(xi)
胞活性也(ye)高于(yu)未(wei)处(chu)理 TLM 钛(tai)合(he)金。
有(you)关表(biao)面(mian)去合金(jin)化(hua)后(hou) TLM 钛合金表(biao)面形貌(mao)如图 6所(suo)示。
近(jin)年来(lai)，随着材料(liao)科(ke)学、生命科学(xue)、临床医(yi)学(xue)及(ji)物理、化学、影像学等学科(ke)交(jiao)叉(cha)发展和技(ji)术(shu)进步，具备
细胞(bao)/基(ji)因活化和诱导功(gong)能(neng)的智能(neng)化生物(wu)材料(liao)是(shi)临(lin)床治(zhi)疗(liao)发展(zhan)的必(bi)然(ran)要(yao)求和(he)趋势，它们(men)可(ke)从(cong)分(fen)子(zi)水平(ping)刺(ci)激(ji)细
胞(bao)的(de)增殖和(he)分(fen)化(hua)，引(yin)发特(te)异(yi)性细胞(bao)反(fan)应(ying)，抑(yi)制(zhi)非特(te)异性反(fan)应，逐(zhu)渐实现黏(nian)附(fu)、分(fen)化(hua)、增殖(zhi)、凋(diao)亡及细胞外基
质(ECMs)的重建，进(jin)而促进(jin)组织的(de)再生与(yu)修(xiu)复(fu)[152]。赋(fu)予(yu)生(sheng)物(wu)材料(liao)上(shang)述(shu)“生(sheng)物功(gong)能化”，单凭(ping)冶金(jin)和加工(gong)过(guo)程(cheng)无(wu)法(fa)实(shi)现(xian)，必须借(jie)助材(cai)料
表面改(gai)性或修饰(shi)来改变(bian)其表面理(li)化性(xing)质。表面修(xiu)饰(shi)旨(zhi)在介导材料表面(mian)与细胞(bao)的(de)相互(hu)作(zuo)用，如(ru)何(he)控制生物(wu)材料(liao)
的生(sheng)物响(xiang)应，抑制(zhi)其(qi)非(fei)特(te)异(yi)性(xing)响(xiang)应(ying)，是(shi)生(sheng)物(wu)材料表面修饰(shi)的出发(fa)点(dian)[153,154]，而(er)理想(xiang)的表(biao)面(mian)修(xiu)饰(shi)涉及(ji)表(biao)面(mian)
元(yuan)素特(te)征、微(wei)观(guan)拓扑结构(gou)、亲(qin)水(shui)-疏(shu)水(shui)平(ping)衡(heng)、蛋(dan)白质吸(xi)附等(deng)各个方(fang)面[155,156]。基(ji)于细(xi)胞(bao)膜的(de)两亲性(xing)双分子
层(ceng)结(jie)构(gou)及细胞膜(mo)的“流动(dong)镶(xiang)嵌(qian)”模(mo)型(xing)，具(ju)有(you)仿细(xi)胞(bao)膜(mo)结(jie)构(gou)的(de)层(ceng)层自(zi)组装(zhuang)技(ji)术(shu)并(bing)在(zai)生物材料(liao)表(biao)面(mian)工程和基(ji)因(yin)释
放研(yan)究领域的(de)应(ying)用(yong)正引起人们(men)的广(guang)泛(fan)关注，为(wei)发(fa)展新的(de)基(ji)因释(shi)放策(ce)略(lve)和开(kai)发基因(yin)活(huo)化生物材(cai)料(liao)提(ti)供了新的(de)思(si)
路。材(cai)料(liao)表面的分(fen)子自(zi)组装不仅具有(you)较(jiao)大的(de)流动(dong)性和(he)可(ke)变形性，赋予细胞(bao)适(shi)宜(yi)的(de)自组(zu)装生长材料(liao)表面(mian)拓扑(pu)结
构，还(hai)能(neng)改善(shan)材料的生物相容性和(he)降低非特异(yi)性作(zuo)用。大(da)量实验(yan)已证明(ming)材料(liao)表面的(de)化学成分(fen)、组(zu)织(zhi)(结构)形
态(tai)、微观力学(xue)特(te)性、表(biao)面(mian)能(neng)等(deng)都可(ke)转(zhuan)导(dao)为生(sheng)物(wu)信(xin)号并在分(fen)子(zi)水平上有(you)效地和特(te)异性地(di)调节人(ren)体(ti)附(fu)着细胞(bao)功能(neng)
性基因的表达(da)、信息(xi)核糖核酸的结(jie)构(gou)稳(wen)定(ding)、基因(yin)产物的(de)合(he)成等[157~159]，从(cong)而(er)有(you)效地产生(sheng)“材料(liao)的(de)诱(you)导(dao)性(xing)
生(sheng)物(wu)功(gong)能(neng)效(xiao)应(ying)”，它不(bu)仅(jin)决定了生(sheng)物材(cai)料的(de)安全(quan)性(xing)、功能(neng)性(xing)、适配(pei)性，也决定(ding)了其(qi)对(dui)于重建人体(ti)机体(ti)组(zu)织(zhi)和(he)
生(sheng)理(li)功能的调控(kong)性。
4.5 医(yi)用(yong)钛合(he)金(jin)材(cai)料的增(zeng)材制(zhi)造
钛合(he)金(jin)材(cai)料表面经过(guo)多孔(kong)化(hua)处(chu)理(li)后可为(wei)骨科(ke)器械提供(gong)所需(xu)要的(de)合(he)适三维微(wei)孔结构(gou)及(ji)适(shi)宜的临(lin)床(chuang)生物力学
性(xing)能要求(qiu)，但(dan)大(da)规模批量生(sheng)产(chan)的外(wai)科(ke)植入物通(tong)常(chang)很(hen)难(nan)完(wan)全(quan)使(shi)其(qi)与周(zhou)边骨组(zu)织(zhi)精确紧(jin)密配(pei)合(he)或高(gao)度(du)吻(wen)合病(bing)灶(zao)的(de)
外(wai)部(bu)轮廓(kuo)。由(you)于人(ren)体(ti)骨(gu)骼的(de)差(cha)异(yi)性、缺(que)损部(bu)位形(xing)态的随(sui)机(ji)性(xing)，使得标准化的(de)植入体常常(chang)不能满(man)足临床使(shi)用(yong)要(yao)
求(qiu)。最好的人工假(jia)体应该(gai)是(shi)个性(xing)化产品，可(ke)满足患(huan)者(zhe)个性(xing)化(hua)治疗(liao)的需求(qiu)。增材(cai)制造(zao)技术(shu)(3D 打(da)印(yin))可使金属
植(zhi)入物的(de)三维(wei)个性化设计(ji)、孔隙结(jie)构(gou)定(ding)制(zhi)和(he)快(kuai)速净成型(xing)完美地(di)结合在(zai)一起(qi)，这(zhe)在所(suo)有(you)的(de)传(chuan)统工(gong)艺(yi)中(zhong)是不能(neng)想(xiang)
象的(de)，并(bing)已(yi)成为高(gao)端(duan)个性(xing)化(hua)医疗器(qi)械(xie)设计(ji)、制造(zao)和应(ying)用推(tui)广(guang)的重(zhong)点(dian)发展方(fang)向和(he)未来发(fa)展趋(qu)势。
4.5.1 金属粉(fen)末(mo)的(de)应(ying)用(yong)技术要(yao)求(qiu)
钛(tai)合金(jin)金属(shu)粉末(mo)一直(zhi)是(shi)军工及民(min)用各(ge)领域(yu)中(zhong)用(yong)于粉(fen)末冶(ye)金产(chan)品(pin)生产的关(guan)键(jian)材(cai)料(liao)。与(yu)其(qi)它(ta)粉(fen)末(mo)冶(ye)金技术(shu)相
比(bi)，3D打(da)印(yin)技(ji)术(shu)对于Ti粉(fen)的(de)要(yao)求较高(gao)，除需(xu)具(ju)备良(liang)好(hao)的可(ke)塑性外(wai)，还必须满足粉(fen)末(mo)粒径(jing)细(xi)小(xiao)、粒(li)度(du)分(fen)布(bu)较(jiao)窄
、球(qiu)形度(du)高、流(liu)动(dong)性好(hao)和松(song)装密度高(gao)等(deng)要求。目前(qian)金属 3D 打印(yin)常用的钛(tai)合(he)金粉末(mo)按(an)粒度范围可(ke)分(fen)为细(xi)粉(fen)
(15~53 mm)、半粗(cu)粉(fen)(53~105 mm)、粗(cu)粉(fen)(105~150 mm)，它(ta)是(shi)根(gen)据配(pei)置(zhi)不同能(neng)量源(yuan)的(de)金属打(da)印(yin)机工作(zuo)特点而(er)
划分(fen)的：对于(yu)激(ji)光打(da)印(yin)机(ji)，因其聚焦(jiao)光(guang)斑精(jing)细，粉(fen)末(mo)补给方式(shi)为逐(zhu)层(ceng)铺(pu)粉，采用细粉作(zuo)耗材比较适(shi)合(he)；对于
电子(zi)束或等(deng)离(li)子(zi)束(shu)打(da)印机(ji)，聚焦(jiao)光斑(ban)略(lve)粗(cu)，粉(fen)末补给(gei)方(fang)式(shi)为(wei)同轴送(song)粉(fen)，选(xuan)用相(xiang)对低廉(lian)的(de)半(ban)粗粉或粗粉即可。
目前，气(qi)雾(wu)化法、等(deng)离子旋转电极(ji)法(fa)已成为生产 3D 打印(yin)金(jin)属粉(fen)末的(de)主流(liu)制(zhi)备技术。钛(tai)合(he)金(jin)粉末(mo)的粒度
、粒度分(fen)布和(he)颗粒(li)形(xing)状(zhuang)与生(sheng)产金(jin)属粉(fen)末(mo)的(de)方法(fa)和(he)工(gong)艺(yi)密(mi)切(qie)相(xiang)关(guan)。一般(ban)由(you)金(jin)属气态(tai)或熔(rong)融液态转变(bian)成(cheng)粉末时(shi)，
粉(fen)末(mo)颗粒(li)形(xing)状(zhuang)趋于(yu)球形；由固态(tai)转(zhuan)变为粉末(mo)时(shi)，粉末(mo)颗(ke)粒趋于(yu)不规(gui)则(ze)形(xing)状；而(er)采用溶液电(dian)解法(fa)制(zhi)备(bei)的粉末多(duo)
数呈树枝(zhi)状(zhuang)。采用氢(qing)化脱(tuo)氢(qing)法(fa)所(suo)得粉末(mo)外(wai)形(xing)普遍呈(cheng)现(xian)棱(leng)角或者锯(ju)齿状，从而(er)在通过(guo)输(shu)送软(ruan)管(guan)或者(zhe)铺在(zai) 3D 打
印床上(shang)时易(yi)出(chu)现(xian)彼(bi)此勾(gou)连(lian)。
而(er)球(qiu)形(xing)精(jing)细(xi)金属粉体具有更(geng)好的流(liu)动(dong)性(xing)，且完(wan)美(mei)的球(qiu)形导致粉末(mo)能(neng)够(gou)更紧(jin)密的(de)堆积，所(suo)生产(chan)的(de)器械产品
无(wu)论是密(mi)度还是强度(du)都(dou)比采(cai)用粗粉或(huo)无(wu)定形(xing)的质(zhi)量(liang)更好(hao)。对(dui)于 3D 打(da)印(yin)钛合金(jin)金(jin)属(shu)粉(fen)末而言(yan)，气(qi)体(ti) O、N 杂(za)
质(zhi)含(han)量通(tong)常控制在 1500×10-6以(yi)下。因(yin)为(wei)打(da)印(yin)过(guo)程(cheng)中金(jin)属重(zhong)熔(rong)后(hou)，元(yuan)素(su)以液体形(xing)态存(cun)在，易(yi)产(chan)
生(sheng)元(yuan)素的(de)挥(hui)发(fa)，且(qie)原(yuan)始粉末中(zhong)难(nan)免会(hui)掺(can)杂(za)卫(wei)星球、空心(xin)粉(fen)等(deng)微(wei)量(liang)次(ci)品，因此不(bu)可(ke)避(bi)免(mian)地在(zai)定制产品(pin)局部生成(cheng)
气(qi)孔缺陷(xian)，或者造成(cheng)产(chan)品(pin)成(cheng)分(fen)异于原(yuan)始(shi)粉末或者母合(he)金(jin)的(de)成分(fen)，从而(er)影(ying)响(xiang)到(dao)产品的(de)致密性(xing)及(ji)其力(li)学(xue)性(xing)能(neng)。
4.5.2 医(yi)用(yong)钛(tai)合金(jin)材料的(de)增材制(zhi)造应用(yong)研(yan)究(jiu)
相(xiang)比于(yu)传(chuan)统的(de)车、铣、刨、磨(mo)等减材(cai)技术(shu)，钛(tai)合(he)金医疗器(qi)械(xie)加工若采(cai)用(yong)增材(cai)制(zhi)造(zao)技术，不(bu)仅(jin)可带(dai)来更(geng)大(da)
的设(she)计(ji)及制造(zao)自由度(du)，而(er)且(qie)对于(yu)具(ju)有复(fu)杂(za)结(jie)构以(yi)及(ji)个(ge)性化产(chan)品的(de)加(jia)工(gong)成(cheng)本和效率上(shang)都体(ti)现(xian)出(chu)较(jiao)传统(tong)技(ji)术无可(ke)
比(bi)拟的(de)优(you)势(shi)[160]。增材(cai)制造技术(shu)还(hai)很容(rong)易引(yin)入(ru)多孔(kong)互(hu)通(tong)结构以(yi)增加植入物的生(sheng)物(wu)相容性，促进(jin)骨融(rong)合，在(zai)
保(bao)证(zheng)其(qi)生(sheng)物力学(xue)行(xing)为的基础(chu)上达到最大(da)的减(jian)重效果(guo)[160~162]，并(bing)降低(di)金属(shu)结(jie)构(gou)的(de)硬(ying)度，从而(er)尽量达到与(yu)天
然骨(gu)匹(pi)配(pei)的力学(xue)性能(neng)，减(jian)小应(ying)力(li)屏蔽效应(ying)[163]。
特别(bie)是(shi)，3D 打印(yin)技(ji)术(shu)使(shi)得(de)根据实(shi)际应用(yong)环(huan)境，在(zai)不(bu)同部位(wei)采取不同材(cai)料(liao)和结(jie)构(gou)、或(huo)在特(te)定(ding)区域(yu)设(she)计特
定理(li)化性能(neng)，以达到(dao)设计(ji)需(xu)求(qiu)的(de)多功能(neng)的(de)外科(ke)植入(ru)物(wu)成(cheng)为(wei)现实，而(er)这是采(cai)用(yong)粉(fen)末(mo)烧结(jie)等(deng)传统加工手段(duan)很(hen)难实(shi)
现(xian)的。
上(shang)世(shi)纪 90 年(nian)代(dai)国(guo)际上(shang)发展起(qi)来的(de)激光立(li)体成(cheng)形(xing)(laser solid forming，LSF)等快速成型技(ji)术，目前(qian)已
成功(gong)制(zhi)备出多孔纯(chun)Ti、TiNi和(he)TC4合(he)金(jin)材(cai)料，并在人(ren)工关(guan)节臼杯上(shang)实现了多孔(kong) CoCrMo/Ti6Al4V 功(gong)能(neng)梯(ti)度(du)材(cai)
料(liao)[164]。3D打(da)印(yin)技术(shu)还能(neng)将钛合(he)金(jin)、钴(gu)合(he)金(jin)等医(yi)用金属(shu)粉(fen)末制(zhi)作成(cheng)患(huan)者(zhe)所需的三维(wei)多孔(kong)金(jin)属植(zhi)入(ru)物，在梯(ti)
度孔径(jing)、孔(kong)隙(xi)、孔与孔(kong)之间完全实现(xian)三(san)维(wei)贯通(tong)，而且(qie)金(jin)属(shu)假体的弹(dan)性模(mo)量完(wan)全可(ke)以(yi)由(you)预(yu)先设(she)计(ji)来(lai)确定(ding)[165]
。Heinl 等(deng)[166]采用(yong)选区电子束法(fa)、Traini 等[167]采(cai)用激光(guang)直(zhi)接(jie)成形(xing)法分(fen)别对(dui)多(duo)孔(kong)钛(tai)合金(jin)的(de)3D打印技(ji)术(shu)
进(jin)行了(le)研(yan)究，而(er) Murr 等(deng)[168]研究了(le)孔隙率、孔型(xing)等对 3D 打印(yin)多孔(kong)钛合(he)金性(xing)能(neng)的(de)影(ying)响(xiang)。
Parthasarathy[169]通(tong)过(guo)电子(zi)束加工(gong)(EBM)技(ji)术制造(zao)互(hu)通(tong)多孔 Ti6Al4V，通(tong)过(guo)控制(zhi)孔隙(xi)率以(yi)及实(shi)体支(zhi)架(jia)
的尺寸，达到不(bu)同力(li)学(xue)性能(neng)；孔(kong)隙率在 75%~55%之(zhi)间的(de)激(ji)光(guang)选(xuan)区(qu)熔化(hua)(SLM)法加工 Ti 结构件(jian)的(de)压(ya)缩(suo)强(qiang)度在(zai)
35~120 MPa 之(zhi)间(jian)，而(er)孔(kong)隙率(lv)在(zai) 49.75%~70.32%的 EBM 法(fa)加工 Ti6Al4V 合金(jin)件(jian)的(de)压(ya)缩强(qiang)度在 7~163 MPa之
间[170~174]。
采用 3D 打印(yin)技术获得的(de)多孔(kong)金(jin)属(shu)外科植入(ru)物在(zai)骨科器械应用(yong)方面(mian)具有(you)独(du)特(te)优势：具(ju)有(you)类(lei)骨小(xiao)梁(liang)结(jie)构(gou)的(de)
金属(shu)骨植(zhi)入物(wu)有利(li)于人体骨细胞在(zai)其(qi)中黏(nian)附生长(zhang)并与骨(gu)骼(ge)之(zhi)间形成坚强(qiang)的绞(jiao)锁(suo)结(jie)合(he)能力，可(ke)促进假(jia)体(ti)与骨(gu)界
面的(de)骨(gu)性愈(yu)合，从而(er)延(yan)长假(jia)体(ti)的使用(yong)寿命(ming)[175~177]。本文作(zuo)者(zhe)所在课题(ti)组通(tong)过CT扫(sao)描和(he)转(zhuan)换(huan)(mimics)及临
床统计数(shu)据反(fan)馈，利用(yong)有限元(yuan)分(fen)析(xi)研(yan)究了多(duo)孔结构(gou)、钛(tai)合(he)金(jin)材料对(dui)预先设(she)计(ji)的梯(ti)度多(duo)孔材(cai)料(liao)的力(li)学性(xing)能(neng)的(de)影
响，并(bing)结合(he)对(dui)数据和(he)模型进(jin)行(xing)优(you)化(hua)再设计(ji)，最(zui)后(hou)通过激(ji)光(guang)选区(qu)熔(rong)化制(zhi)备出(chu)类(lei)骨(gu)小(xiao)梁(liang)组织的多孔 TLM 钛(tai)合(he)金
植(zhi)入物材(cai)料，如(ru)图(tu) 7 所(suo)示。
5、 总(zong)结与展(zhan)望
虽然(ran)我(wo)国 Ti资源(yuan)丰富(fu)，钛合金(jin)材料产能及(ji)产销(xiao)量(liang)跃居(ju)世(shi)界第(di)一(yi)位(wei)，但在医(yi)用钛合金材(cai)料(liao)研(yan)究、开发(fa)、
应(ying)用方(fang)面(mian)却(que)相(xiang)对滞(zhi)后，无论在科研、设(she)备、技术、工(gong)艺和(he)人(ren)才等(deng)方面都(dou)无(wu)法与(yu)欧(ou)、美发达国家相(xiang)比(bi)，导致(zhi)此
类(lei)高端(duan)医(yi)疗器械(xie)及其(qi)加(jia)工(gong)用原(yuan)材料严重依(yi)赖(lai)进口，给(gei)我国(guo)广(guang)大(da)民众(zhong)的(de)医(yi)疗保(bao)健(jian)水平(ping)提(ti)高和全(quan)民医(yi)保(bao)国策(ce)的(de)落
实带来很(hen)大的压(ya)力(li)。近(jin)年来，围绕(rao)提(ti)高材(cai)料(liao)强(qiang)韧(ren)性、耐蚀性、耐磨性、生物相(xiang)容(rong)性、力(li)学相(xiang)容(rong)性(xing)等为(wei)设(she)计(ji)目(mu)标的(de)新(xin)型医用(yong)钛(tai)合金(jin)材料研究开发
日渐(jian)活跃(yue)，以(yi)改善(shan)其(qi)长效(xiao)服(fu)役(yi)功(gong)能特性(xing)的生(sheng)物活性涂层(ceng)、耐磨(mo)涂(tu)层、抗凝(ning)血药物涂层(ceng)、抗(kang)菌涂层等(deng)为突(tu)出(chu)代(dai)
表(biao)的新(xin)型表(biao)面改性(xing)涂(tu)层(ceng)及相(xiang)关配(pei)套(tao)技术(shu)研究方兴未(wei)艾(ai)，为新型(xing)钛合金医(yi)疗器(qi)械(xie)的(de)设(she)计开(kai)发(fa)带(dai)来了新(xin)的发(fa)展(zhan)机(ji)
遇(yu)，有(you)望在(zai)未来(lai)的生(sheng)物(wu)医(yi)用(yong)材料(liao)的(de)临(lin)床(chuang)应(ying)用(yong)中(zhong)继续扮演(yan)着重(zhong)要角色(se)。
5.1 医用(yong)钛(tai)合金原材料的提(ti)质(zhi)增效(xiao)刻(ke)不容(rong)缓(huan)
目(mu)前(qian)国(guo)产(chan)医(yi)用(yong)钛(tai)合(he)金(jin)原(yuan)材(cai)料(liao)产品质量(liang)及(ji)生产稳(wen)定(ding)性(xing)等(deng)方面与国(guo)外水平差(cha)距(ju)较(jiao)大(da)，而高强低(di)模(mo)量(liang)钛合(he)金等(deng)
新型(xing)医(yi)用(yong)金属(shu)材料(liao)尚未(wei)实现(xian)产业(ye)化(hua)和标准(zhun)化(hua)，这(zhe)需(xu)要对传统(tong)量大面广的医(yi)用(yong)钛(tai)合金材(cai)料进(jin)行(xing)优化(hua)升级，同时
积(ji)极(ji)开(kai)发国产质优价(jia)廉的新(xin)型(xing)的医用(yong)钛合金(jin)材(cai)料。
目前(qian)外科(ke)植入物(wu)用(yong)钛(tai)合(he)金(jin)材料(liao)的选材设(she)计标准(zhun)，除了要求其生物安全性(xing)指标(biao)合格(ge)外(wai)，只(zhi)考(kao)虑了材料(liao)的成
分、组(zu)织、强度(du)和塑(su)性(xing)4个基本(ben)要(yao)求。随着对其(qi)“生(sheng)物力(li)学(xue)相容(rong)性(xing)”以及与(yu)机(ji)体(ti)组(zu)织(zhi)的(de)“生(sheng)物(wu)适配”、“组(zu)
织适配(pei)”、“力学(xue)适配”、“降(jiang)解(jie)适配”等(deng)新(xin)兴研(yan)究理(li)念或(huo)概(gai)念的提(ti)出(chu)，医(yi)用钛合金(jin)材(cai)料的设(she)计(ji)标(biao)准(zhun)要求(qiu)也(ye)
随之提高(gao)，其中4个设计要(yao)素需要(yao)重(zhong)点关注(zhu)：(1) 确(que)保(bao)合(he)金(jin)的(de)生物相容性(xing)，放(fang)弃或减(jian)少已证(zheng)实对(dui)机体(ti)具有(you)潜
在毒副(fu)作(zuo)用的 Al、V 等合(he)金(jin)元素(su)；(2) 力(li)求(qiu)合(he)金(jin)的(de)相组(zu)成(cheng)(成分(fen)或(huo)结(jie)构(gou))简单化(hua)，尽(jin)量(liang)避(bi)免(mian)金属间化(hua)合物(wu)相(xiang)
的(de)形(xing)成；(3) 提(ti)高合(he)金(jin)的(de)生(sheng)物力(li)学相容性，即除(chu)了(le)降(jiang)低其(qi)弹(dan)性(xing)模(mo)量(liang)以(yi)达(da)到与人(ren)体(ti)骨组(zu)织的优(you)良(liang)匹配(pei)外(wai)，还(hai)需(xu)
兼顾考虑合(he)金的(de)其(qi)它(ta)综(zong)合力(li)学性能(neng)如疲劳(lao)强(qiang)度等(deng)；(4) 降低合(he)金(jin)的加(jia)工(gong)制造(zao)成(cheng)本(ben)，既要减少高(gao)熔点且昂(ang)贵的
Hf、Ta 等合(he)金(jin)元(yuan)素(su)含(han)量，也(ye)要提(ti)高合金的(de)易加(jia)工成(cheng)型(xing)性。因此(ci)，开(kai)展新(xin)型高强度低模量β钛合金的设(she)计研(yan)
发(fa)，首先(xian)要考虑(lv)合金成(cheng)分上的(de)优选(xuan)和(he)优(you)良(liang)综(zong)合性能的预测(ce)。其次(ci)，还要充分兼顾(gu)合(he)金(jin)后(hou)续加工、热(re)处(chu)理过程(cheng)
中的过(guo)程控制和实践(jian)验证，最(zui)终才(cai)能实现医(yi)用(yong)钛合金材(cai)料的洁净化、均(jun)质(zhi)化、细晶化、多(duo)孔(kong)化、低成(cheng)本化(hua)等(deng)
终极目(mu)标(biao)要求(qiu)。
近(jin)年(nian)来，随着新技术的(de)不(bu)断涌(yong)现及精(jing)密(mi)机(ji)械和电(dian)子(zi)工(gong)业(ye)的发(fa)展(zhan)，在有源(yuan)医(yi)疗器(qi)械(xie)产(chan)品等尖(jian)端领(ling)域(yu)，产品(pin)
小型(xing)化(hua)、微型(xing)化已(yi)然(ran)成(cheng)为未(wei)来(lai)发(fa)展趋势(shi)。然(ran)而，一般(ban)金(jin)属材料(liao)的(de)平均(jun)晶粒尺(chi)寸与(yu)微(wei)器(qi)件(jian)的(de)特征(zheng)尺(chi)寸相(xiang)当，极
大(da)地(di)影(ying)响其(qi)尺寸精度和(he)特(te)殊功能(neng)的发(fa)挥。
因此，高(gao)端(duan)医疗(liao)器(qi)械(xie)中(zhong)应(ying)用(yong)最多的(de)超细(xi)晶(jing)化钛(tai)合(he)金材料受到(dao)了(le)国内外科(ke)学界(jie)的(de)广泛(fan)关注。为了(le)提(ti)高(gao)传(chuan)统(tong)
医(yi)用纯Ti的(de)抗(kang)拉强(qiang)度(du)等力(li)性指标，国际上(shang)的设(she)计理念是通(tong)过加(jia)工制(zhi)备(bei)工(gong)艺(yi)创新来(lai)改(gai)变合(he)金的晶(jing)粒(li)尺(chi)寸至超细
晶(jing)或纳米(mi)晶(jing)级(ji)别(bie)，以此(ci)来达(da)到(dao)对(dui)传(chuan)统医(yi)用钛(tai)材的(de)提(ti)质(zhi)增效(xiao)。早期研究认为(wei)，纳米纯(chun)金(jin)属(shu)的(de)模量明显低于相(xiang)应
的粗(cu)晶材料(liao)。但(dan)有研(yan)究[178]发(fa)现，低模量是(shi)样品加(jia)工(gong)中残留的缺(que)陷造(zao)成的。按(an)照(zhao)常规力学(xue)性能与晶粒(li)尺(chi)寸
关系(Hall-Petch 公式)推算(suan)，纳米材(cai)料(liao)应该既具(ju)有高强(qiang)度(du)，又有(you)较高(gao)韧性(xing)，但很(hen)多纳米金(jin)属(shu)材料(liao)的(de)强(qiang)度(du)、
韧(ren)性却(que)低于(yu)相(xiang)应粗(cu)晶(jing)材料(liao)。本课(ke)题组(zu)已(yi)经(jing)发现(xian)[74]，新型(xing) TLM 钛(tai)合(he)金经过仿 ARB 法加工(gong)至 16 层纳米(mi)箔(bo)材(cai)
时(shi)其(qi)强(qiang)度(du)、韧性反而低(di)于 8 层的微纳(na)米箔(bo)材。采(cai)用 ECAP 法(fa)对工业纯(chun)Ti 多(duo)次变形后(hou)其(qi)强度(du)也(ye)发(fa)现存(cun)在(zai)一(yi)个(ge)
极限(xian)值(zhi)。有关微(wei)纳(na)米(mi)晶(jing)粒尺(chi)寸(cun)、形(xing)貌(mao)、界面状态以(yi)及(ji)晶界等(deng)各(ge)类缺陷的(de)性(xing)质(zhi)、微观(guan)应力(li)等(deng)多尺度效应(ying)使(shi)得超
细晶(jing)化钛(tai)合金材(cai)料力学性能的(de)独特变(bian)化(hua)规律(lv)和(he)微观(guan)塑(su)性(xing)变(bian)形机(ji)理(li)还不能(neng)用(yong)经(jing)典(dian)理论逐(zhu)一进(jin)行合理解释(shi)。目前(qian)
国(guo)际上(shang)对多元(yuan)医用钛合(he)金(jin)超细晶(jing)块材的开发应(ying)用(yong)刚刚起步，尚(shang)有(you)大(da)量科(ke)学技术问(wen)题(ti)有待探(tan)讨，例如材(cai)料(liao)的制
备工(gong)艺(yi)、过程温升(sheng)及(ji)形(xing)变(bian)模(mo)拟分析、组织(zhi)演(yan)化(hua)机(ji)制和显(xian)微(wei)组(zu)织(zhi)、织构(gou)分(fen)析(xi)表(biao)征，以及(ji)相(xiang)关物(wu)理、力学(xue)性能研
究等。
目(mu)前(qian)，高(gao)孔(kong)隙(xi)率的多(duo)孔 Ti材(cai)料因(yin)具有(you)类似(shi)于(yu)人体(ti)松质(zhi)骨(gu)的结(jie)构，有(you)望在(zai)骨(gu)科修复(fu)器械领域获得(de)大量应(ying)
用。但多孔钛(tai)合(he)金材(cai)料要满足(zu)其长期(qi)临(lin)床应(ying)用，其(qi)强(qiang)度(du)、塑(su)韧(ren)性(xing)和疲劳等(deng)力(li)学性(xing)能也(ye)有待改进和提(ti)高。目前
关(guan)于医(yi)用(yong)钛(tai)合金的 3D 打印产品主要集中(zhong)于(yu)纯(chun) Ti 和 Ti6Al4V 合金(jin)，其研(yan)究(jiu)更(geng)多(duo)侧(ce)重(zhong)于标(biao)准形(xing)状(zhuang)的精密(mi)成
型，即三(san)维(wei)结(jie)构多(duo)为(wei)简(jian)单的(de)立方、六(liu)方(fang)等孔(kong)型结构(gou)的有(you)序叠加(jia)，对(dui)于(yu)国(guo)外(wai)临(lin)床已(yi)广泛应(ying)用(yong)的、含有(you)较(jiao)多(duo)高(gao)熔
点合(he)金(jin)元素(su)的(de)第三(san)代(dai)β钛合(he)金的(de)3D 打(da)印产(chan)品尚(shang)未见(jian)研(yan)究和应用报道(dao)。实现(xian)高(gao)品质(zhi)多(duo)孔 Ti 商(shang)业化(hua)生(sheng)产和应(ying)
用(yong)还(hai)面临许(xu)多(duo)技(ji)术难(nan)题(ti)需要攻(gong)关(guan)研究(jiu)，例(li)如如何其实现孔径(jing)、孔(kong)隙(xi)率(lv)和力(li)学(xue)性(xing)能间(jian)的最佳(jia)匹(pi)配；多(duo)孔(kong)钛合(he)金(jin)
结构(gou)(形(xing)状、尺寸(cun)、均(jun)匀性(xing)等(deng))与(yu)力学性能(模(mo)量(liang)、强度(du)等(deng))及生物(wu)学(xue)(骨(gu)组织长(zhang)
入(ru)特性(xing))的(de)相互影(ying)响机制，多孔钛合(he)金(jin)低成(cheng)本(ben)加(jia)工制造(zao)新方(fang)法探(tan)索(suo)，以(yi)及多(duo)孔(kong)钛(tai)合(he)金(jin)力(li)学性(xing)能(neng)的精(jing)确调(diao)
控(kong)及(ji)其(qi)加(jia)工(gong)过程、力学性(xing)能(neng)模拟和预(yu)报等。
3D 打(da)印产品的(de)质量和功效取决(jue)于(yu)优(you)质(zhi)的(de)钛(tai)合(he)金(jin)多样(yang)化(hua)的(de)原(yuan)材(cai)料(liao)，不(bu)仅(jin)材(cai)料本身种(zhong)类、成(cheng)分(fen)、特(te)性(xing)对(dui)3D
打(da)印产品的性能(neng)有影(ying)响(xiang)，材(cai)料的制造(zao)工(gong)艺(yi)也对(dui)3D 打印(yin)产(chan)品的(de)强度(du)、模(mo)量(liang)、弹(dan)性(xing)等(deng)功(gong)能(neng)特(te)性(xing)至关重要。我(wo)国(guo)
在等离(li)子旋(xuan)转(zhuan)电极法、气雾(wu)化(hua)法(fa)以及(ji)射(she)频等离子(zi)体球化(hua)法制备球(qiu)形(xing) Ti 粉的核(he)心技(ji)术(shu)研(yan)究方面(mian)取得了长(zhang)足进
步，但(dan)与(yu)世界发(fa)达(da)国家相比在(zai)高(gao)品(pin)质球(qiu)形(xing)Ti粉的生产(chan)技(ji)术(shu)、质(zhi)量(liang)控制和应(ying)用等方(fang)面(mian)差距(ju)仍较(jiao)大(da)，因(yin)而(er)制约(yue)了
我(wo)国(guo) 3D 打印(yin)产(chan)品(pin)的(de)快速(su)发(fa)展。从国际范围(wei)来(lai)看，随着球形Ti粉(fen)应用领(ling)域和需求量的(de)不(bu)断增(zeng)加，对金属球形
Ti粉的生产(chan)技术和(he)设备更新、产品(pin)精(jing)细化和(he)低(di)成(cheng)本(ben)化要求将是大(da)势所(suo)趋。因此(ci)，开(kai)展(zhan)新型(xing)多(duo)元化β钛(tai)合(he)金(jin)
球(qiu)形 Ti 粉制(zhi)备技(ji)术(shu)研究(jiu)，首先(xian)要(yao)加(jia)强粉体制(zhi)备(bei)的基础(chu)理论研(yan)究(jiu)，摸索(suo)此类(lei)特(te)殊(shu)粉体(ti)的(de)理(li)化(hua)性(xing)能(neng)与(yu)工艺(yi)参(can)数
之间的影响规律(lv)，通(tong)过(guo)制粉(fen)工艺(yi)优化(hua)和过程控(kong)制来实(shi)现球形(xing)Ti粉(fen)的高品(pin)质。同(tong)时，针(zhen)对(dui)人(ren)体(ti)骨组织的(de)微孔无(wu)
序分布(bu)特点，还(hai)要重点(dian)研究(jiu)短(duan)程(cheng)无(wu)序的(de)微(wei)孔仿(fang)生设计及(ji)其对生物(wu)力(li)学性能(neng)的调控。因此(ci)，加大(da)对3D打(da)印产(chan)品(pin)
及其钛(tai)合(he)金(jin)球形粉体(ti)原(yuan)材料(liao)的研(yan)发和投(tou)入，走独立自(zi)主(zhu)的(de)发展之(zhi)路，对(dui)我国(guo)抢(qiang)占(zhan)新一轮先(xian)进制造业发(fa)展(zhan)制高
点(dian)意义重大。
针(zhen)对不同骨(gu)科(ke)、齿科和(he)心血管(guan)介入用高端医疗(liao)器械产品的(de)需求，结(jie)合(he)国(guo)内(nei)外(wai)当(dang)前(qian)的(de)研(yan)究(jiu)现(xian)状(zhuang)，医(yi)用(yong)钛合(he)
金(jin)材料(liao)设(she)计开发和(he)应(ying)用(yong)的(de)未来(lai)发展(zhan)方(fang)向可总(zong)结如(ru)下：(1) 加强合(he)金(jin)设计、材(cai)料(liao)加工制备以及(ji)显微(wei)组织(zhi)和(he)理(li)化
性能(neng)之(zhi)间相互作(zuo)用规(gui)律(lv)和(he)微(wei)观影响机(ji)制的基(ji)础(chu)研(yan)究(jiu)；(2) 大力开发(fa)先(xian)进(jin)的(de)材(cai)料(liao)加(jia)工制(zhi)造原理(li)和(he)方(fang)法(fa)的(de)创新及(ji)
其(qi)应用(yong)技(ji)术(shu)研(yan)究：(a) 单晶钛合金(jin)，沿某(mou)一(yi)晶向生(sheng)长(zhang)可(ke)获得(de)非常(chang)接(jie)近人体(ti)骨(gu)的(de)弹(dan)性(xing)模(mo)量；(b) 超(chao)细晶(jing)钛合金
材(cai)料的(de)产(chan)业化技(ji)术(shu)和(he)新(xin)应(ying)用(yong)；(c)具有(you)超(chao)弹(dan)性和(he)形(xing)状记(ji)忆(yi)功(gong)能的(de)医用(yong)低模(mo)量(liang)钛合(he)金的组织(zhi)和(he)性能调(diao)控；(d)
多孔医用(yong)钛合(he)金(jin)材料的(de)先(xian)进制备(bei)技术(shu)更新(xin)和(he)综合性能优化(hua)匹配。(3) 开(kai)展(zhan)医疗器(qi)械(xie)产(chan)品(pin)的(de)优化(hua)设计(ji)，为(wei)新(xin)型
医用钛(tai)合金材料的(de)开(kai)发(fa)和应用(yong)提(ti)供(gong)理论指导(dao)；(4) 加快(kuai)医(yi)用钛合金(jin)原材料(liao)及相关产(chan)品(pin)的国(guo)家(jia)和(he)行(xing)业标准化(hua)研
究和(he)标(biao)准(zhun)的(de)制(修(xiu))订。
5.2 医用(yong)钛合(he)金(jin)材料的(de)生(sheng)物(wu)及力(li)学(xue)相容(rong)性(xing)基础和应用研(yan)究(jiu)亟(ji)待(dai)加强(qiang)
自(zi)瑞典(dian) Branemark提(ti)出骨(gu)整(zheng)合(he)理(li)论(lun)以(yi)及(ji)德国(guo)医(yi)生(sheng)Andrea首(shou)次(ci)提(ti)出支架(jia)构想(xiang)以来(lai)，提(ti)高(gao)钛(tai)合金(jin)的生(sheng)物(wu)和力(li)
学相(xiang)容(rong)性(xing)，有(you)效(xiao)解(jie)决医用金(jin)属假(jia)体(ti)与(yu)骨(gu)组(zu)织之(zhi)间(jian)牢(lao)固结(jie)合、持久(jiu)耐(nai)用(yong)以及与血管等软组织之间(jian)刚柔并(bing)济、降
低再(zai)狭(xia)窄(zhai)率(lv)等(deng)科(ke)学(xue)难题成(cheng)为(wei)世界各(ge)国(guo)研究的重点对象。医(yi)用(yong)钛合金(jin)材(cai)料的长期研(yan)发(fa)史(shi)和(he)临(lin)床(chuang)应(ying)用表(biao)明，未来(lai)
医用(yong)钛合金材料的(de)生(sheng)物相容(rong)性(xing)和力学(xue)相容性(xing)基础(chu)研(yan)究必(bi)须(xu)高(gao)度(du)重视，这是提(ti)高(gao)医(yi)用钛合(he)金(jin)外科植入物(wu)在体(ti)内(nei)
长期稳(wen)定服(fu)役(yi)并(bing)发(fa)挥持(chi)久治(zhi)疗效(xiao)果(guo)的关键，也是设计(ji)和开(kai)发(fa)新(xin)型医(yi)用钛(tai)合(he)金材料(liao)的(de)基(ji)础和目标(biao)。
研究(jiu)生物(wu)材(cai)料(liao)与细胞间的生物相容性是设(she)计(ji)和(he)优(you)化(hua)医(yi)用(yong)钛(tai)合金的(de)基(ji)础和关(guan)键。细(xi)胞对(dui)生物(wu)材(cai)料(liao)的(de)黏附(fu)、
趋化及细胞(bao)在(zai)材料(liao)表(biao)面及(ji)内(nei)部的生长、增(zeng)殖(zhi)、分化(hua)和凋(diao)亡(wang)是(shi)一(yi)个复(fu)杂(za)的(de)过(guo)程，且受到材(cai)料(liao)表面(mian)理化特(te)性(xing)的(de)影
响很(hen)大。骨(gu)髓(sui)基(ji)质干(gan)细胞(bao)(BMSCs)移(yi)植(zhi)或(huo)内源(yuan)性的 BMSCs 迁移黏(nian)附可以(yi)促(cu)进人(ren)工(gong)假体(ti)周围骨(gu)整(zheng)合，因(yin)此(ci)诱导
周围(wei)组织中的BMSCs尽快向成(cheng)
骨细胞分化是保证(zheng)人工假体(ti)骨(gu)结合及(ji)体内长期稳定(ding)的(de)关键(jian)[179,180]。虽(sui)然(ran)材料表(biao)面微纳(na)米(mi)及(ji)多(duo)孔化等(deng)形态
可(ke)以影响干(gan)细(xi)胞向(xiang)成骨(gu)的分化(hua)，但(dan)钛(tai)合(he)金等骨(gu)植(zhi)入材料的成分(fen)及(ji)表面(mian)组(zu)织(zhi)(结构(gou))形态(特别是纳米尺(chi)度下(xia))与
吸附蛋白(bai)、黏附(fu)细(xi)胞及细胞因(yin)子(zi)和(he)生长(zhang)因(yin)子之(zhi)间的相互作用，以(yi)及对影(ying)响骨整合的(de)主要(yao)细胞(bao)来(lai)源-BMSCs的黏(nian)
附(fu)、生长(zhang)以(yi)及成(cheng)骨(gu)分化(hua)调控的(de)规(gui)律与分(fen)子(zi)机(ji)制和信(xin)号(hao)通(tong)路等研(yan)究仍需深化(hua)。而对植(zhi)入材料(liao)与(yu)骨结(jie)合界(jie)面处(chu)的(de)
成(cheng)骨信号(hao)传(chuan)导(dao)通(tong)路的(de)认知(zhi)有利于在(zai)分子(zi)水平(ping)上指(zhi)导(dao)生物(wu)材(cai)料(liao)的(de)表面(mian)修饰，提(ti)高干细(xi)胞对(dui)材料早期感知与(yu)反应(ying)
，并(bing)有望(wang)通(tong)过(guo)材料在设计(ji)上选(xuan)择(ze)性调控某(mou)些信(xin)息通路(lu)来(lai)促进(jin)骨(gu)植入材(cai)料的(de)早(zao)期骨(gu)整(zheng)合能(neng)力(li)和长期(qi)稳定(ding)性(xing)
[181]。因此(ci)，研究(jiu)材料植(zhi)入(ru)机(ji)体后(hou)对细(xi)胞(bao)功(gong)能(neng)的影(ying)响(xiang)和(he)变(bian)化(hua)(特(te)别(bie)是(shi)材(cai)料(liao)学(xue)因(yin)素对(dui)于(yu)吸附(fu)蛋白(bai)、黏(nian)附细胞(bao)、
引(yin)发(fa)细胞(bao)凋(diao)亡等(deng))以及(ji)干(gan)细胞或(huo)骨前体细胞(bao)沿成骨方向分(fen)化(hua)的调(diao)控(kong)作用对于(yu)提(ti)高(gao)钛合金的(de)生(sheng)物(wu)相(xiang)容(rong)性(xing)、发展
新的(de)表(biao)面(mian)改性技(ji)术、阐(chan)明(ming)钛(tai)合(he)金(jin)的(de)骨(gu)诱(you)导作用机理(li)具有重要意义，并对(dui)进(jin)一(yi)步研(yan)究开(kai)发组(zu)织诱(you)导性医用钛(tai)合(he)
金新材料(liao)可提(ti)供有(you)益借(jie)鉴(jian)。
近(jin)年(nian)来(lai)，随着(zhe)Ti等(deng)金属(shu)植(zhi)入(ru)材(cai)料品(pin)质的(de)不断(duan)提高和医学(xue)评价(jia)手段的(de)日臻(zhen)丰富(fu)，对植入(ru)材料生物(wu)安全性研(yan)
究和评价已不再(zai)是唯一判(pan)据。国(guo)际生(sheng)物医(yi)学工(gong)程(cheng)学(xue)会以(yi)及(ji)国(guo)际(ji)生(sheng)物(wu)材料标准(zhun)化(hua)组织对外科植入(ru)材(cai)料(liao)的质量标
准(zhun)要(yao)求(qiu)已(yi)从“可(ke)接(jie)受”的一(yi)般(ban)层(ceng)次提高到“安(an)全(quan)可靠”的更(geng)高(gao)层次，这就迫使(shi)人们(men)开(kai)始更(geng)多地(di)关注植(zhi)入体与(yu)
周(zhou)围骨(gu)组(zu)织的良性结(jie)合和(he)功(gong)能(neng)性(xing)服(fu)役(yi)的(de)长效性问题(ti)。因为在人体生理环境(jing)中，除了(le)生物相(xiang)容性好(hao)这(zhe)一基本(ben)要(yao)
求(qiu)外，还(hai)特(te)别要(yao)求(qiu)医(yi)用(yong)金(jin)属(shu)材料具(ju)有(you)：(1) 生物功能(neng)性；(2) 长期稳(wen)定性(xing)；(3) 与骨组织(zhi)之(zhi)间有(you)较好的生(sheng)物
力(li)学(xue)适配(pei)性。因(yin)此(ci)，钛(tai)合(he)金(jin)材料的长效生(sheng)物安(an)全(quan)性(xing)和生物(wu)力学的应用(yong)研(yan)究及评价(jia)已成为设计(ji)开(kai)发(fa)新型(xing)高性能
医(yi)疗器(qi)械产(chan)品(pin)并扩(kuo)大其临床应用(yong)的关键(jian)所(suo)在(zai)，而生物力学相(xiang)容性研(yan)究(jiu)和评(ping)价(jia)应该(gai)成(cheng)为(wei)设计(ji)开(kai)发(fa)新(xin)型(xing)外科(ke)植(zhi)入
金属(shu)材料(liao)及其器(qi)械(xie)的(de)理(li)论(lun)基础(chu)和研(yan)究(jiu)重点。
5.3 医用钛(tai)合(he)金(jin)材(cai)料(liao)的表(biao)面功(gong)能(neng)改(gai)性是(shi)提(ti)高(gao)外(wai)科植
入物使役(yi)性能的(de)关(guan)键所(suo)在在生(sheng)理环(huan)境中，植(zhi)入材(cai)料与机体组(zu)织(zhi)之间(jian)的相互(hu)作(zuo)用(yong)总(zong)是(shi)发生在(zai)材料表(biao)面。材
料(liao)表面(mian)的(de)物(wu)理(li)化(hua)学(xue)特(te)性(xing)必(bi)然(ran)直(zhi)接(jie)影响到组织的愈合(he)。同(tong)时(shi)，机体环境(jing)也可(ke)作(zuo)用于材料(liao)表(biao)面(mian)，并使(shi)之发(fa)生腐(fu)蚀
、降解及变(bian)性(xing)。植入(ru)材料(liao)的生物(wu)相容(rong)性(xing)和生物活(huo)性与(yu)表面(mian)理化特(te)性(xing)密(mi)切相关(guan)。因此(ci)，控(kong)制(zhi)和改善(shan)生物材(cai)料(liao)的(de)
表面(mian)特性是提高植(zhi)入材料(liao)生物相(xiang)容(rong)性和(he)生(sheng)物(wu)活(huo)性(xing)的(de)有(you)效途(tu)径(jing)。由于(yu)医用钛(tai)合金(jin)的结构(gou)和性(xing)质与(yu)自(zi)然(ran)骨相差(cha)很
大，并且其成(cheng)分(fen)与人体(ti)机(ji)体(ti)组织的(de)成分(fen)截(jie)然不(bu)同，植(zhi)入(ru)体内(nei)后难(nan)以与硬(ying)组织形成生(sheng)物化学结(jie)合或与软(ruan)组(zu)织快
速(su)融合(he)等，加之(zhi)其表面(mian)钝态氧化(hua)膜的存(cun)在(zai)，通常(chang)不利(li)于与(yu)骨组织(zhi)发生化(hua)学(xue)键(jian)性(xing)结(jie)合(he)，而(er)易被纤(xian)维性膜(mo)所包(bao)围(wei)
并(bing)造成(cheng)与(yu)周(zhou)围(wei)的骨(gu)组织(zhi)隔离(li)，从(cong)而可(ke)造成(cheng)外(wai)科植(zhi)入治疗(liao)的(de)失(shi)败。开展医(yi)用(yong)钛(tai)合金(jin)表面(mian)改性(xing)以(yi)提高(gao)其(qi)生物(wu)活性
等(deng)功(gong)能特性(xing)始(shi)终(zhong)是(shi)生物医(yi)学工程的一个(ge)研究热(re)点和重(zhong)点研究(jiu)方(fang)向(xiang)，也(ye)是生物(wu)材料学(xue)科最活(huo)跃(yue)和(he)发(fa)展(zhan)迅(xun)速的领
域之(zhi)一。
已经(jing)证(zheng)实(shi)，人(ren)工(gong)金属(shu)假体的(de)结(jie)构(gou)设(she)计和(he)表(biao)面状态(tai)是影响(xiang)其长期(qi)植(zhi)入稳(wen)定(ding)性或(huo)长(zhang)效性的重(zhong)要因素(su)。因(yin)此，
外科植(zhi)入技(ji)术(shu)在过去半(ban)个(ge)世纪发展(zhan)中，围绕(rao)骨整(zheng)合(he)这(zhe)一(yi)基(ji)本理(li)论(lun)(由(you)于(yu)金(jin)属植(zhi)入体(ti)自(zi)身(shen)属“惰(duo)性材料(liao)”，其
与周围骨组织的(de)结(jie)合不是(shi)骨(gu)性结合(he))科研工(gong)作者(zhe)已开(kai)展(zhan)了(le)大量(liang)的(de)相关研究(jiu)工(gong)作(zuo)，并对改善(shan)钛合金(jin)植入物(wu)早期(qi)
骨(gu)组织生长(zhang)、降低假(jia)体松动具(ju)有(you)一定的临床应(ying)用(yong)价(jia)值(zhi)：许多(duo)学(xue)者先后提(ti)出了“物(wu)理性(xing)结合(he)”、“化学(xue)性结(jie)合
”及“生物(wu)性结合”等(deng)概念(nian)，其主要目的(de)都是为(wei)了(le)改(gai)善外(wai)科(ke)植(zhi)入(ru)材(cai)料表面(mian)的“生(sheng)物(wu)活性”以(yi)充(chong)分(fen)实现(xian)植(zhi)入体
的早期(qi)修复(fu)功能(neng)。如前(qian)所述(shu)，从宏(hong)观角度(du)出(chu)发，对(dui) Ti 植入(ru)体进行表(biao)面改(gai)性处(chu)理(li)，如(ru)机械(xie)抛(pao)光、酸蚀(shi)处理、
梯(ti)度(du)多孔(kong)化(hua)、活性涂层(ceng)制备(bei)等(deng)技(ji)术来实现(xian)材料(liao)表面(mian)粗糙(cao)化和功能(neng)化(hua)；从微(wei)观(guan)角度(du)出(chu)发(fa)，利用(yong)生物(wu)技(ji)术方法引(yin)
入活性(xing)大(da)分(fen)子或骨生(sheng)长(zhang)因子(zi)等(deng)，使其(qi)对破损骨组(zu)织(zhi)的(de)修(xiu)复(fu)、功能(neng)调(diao)控(kong)及重建(jian)发(fa)挥(hui)重(zhong)要作(zuo)用；从改(gai)善(shan)Ti植入物
自身(shen)生物(wu)力学功(gong)能性方(fang)面(mian)出(chu)发，对钛(tai)牙(ya)种植体(ti)结构(gou)、长度(du)、直径等重要(yao)参(can)数进(jin)行(xing)设计(ji)优化，以(yi)及(ji)尝试改变(bian)种
植(zhi)体与上部基台的连接(jie)方式(shi)等；从患者(zhe)自(zi)身(shen)条(tiao)件(jian)出发(fa)，改善植(zhi)入(ru)体(ti)的抗菌(jun)性或(huo)采取(qu)即刻(ke)种植技(ji)术(shu)等(deng)。具(ju)有(you)超
细(xi)晶(jing)表(biao)面结构的(de)钛合(he)金(jin)有(you)望(wang)成为一(yi)种生(sheng)物(wu)和力(li)学相容(rong)性俱佳的(de)新型外(wai)科(ke)植(zhi)入材料(liao)，这是(shi)因为经(jing)大(da)塑(su)性(xing)累积变(bian)
形(xing)或(huo)表面(mian)微(wei)纳(na)化(hua)处(chu)理(li)的(de)超细晶(jing)钛(tai)合金(jin)材(cai)料(liao)，其表面结构(gou)与理(li)化状态诸如(ru)表(biao)面形(xing)貌(粗(cu)糙度)、尺(chi)度(du)大(da)小(晶(jing)粒(li)
尺(chi)寸(cun)、粒子边(bian)界、比(bi)表面积(ji))、亲疏水性、荷电(dian)性(自(zi)由(you)电(dian)子(zi)、比表面(mian)能(neng))以(yi)及表面硬度、耐磨和耐蚀(shi)性等(deng)与(yu)
传(chuan)统粗(cu)晶(jing)态的钛合金(jin)相比(bi)，具(ju)有(you)很(hen)多独(du)特(te)理化性能(neng)如其高的(de)活化能可有效促(cu)进(jin)钛合金材(cai)料表(biao)面(mian)钙磷沉(chen)积和体(ti)
内骨(gu)整(zheng)合(he)。因此(ci)，通过钛合金表(biao)面(mian)多尺(chi)度结构(gou)设计(ji)，可以探索(suo)如何(he)利(li)用材料(liao)表面(mian)微(wei)纳米尺(chi)度(du)和(he)拓扑(pu)结(jie)构(gou)来(lai)控(kong)
制(zhi)细(xi)胞的生(sheng)长(zhang)行为(wei)，为医用(yong)钛合金的设计(ji)和应(ying)用(yong)奠定理论和(he)技术(shu)基(ji)础(chu)，但(dan)围绕(rao)医(yi)用钛合(he)金(jin)表面(mian)多尺(chi)度(du)结构(gou)设
计、加工(gong)制备的新方法新(xin)技术(shu)以及(ji)经(jing)表(biao)面状(zhuang)态(tai)优(you)化后(hou)与(yu)肌体(ti)界面(mian)之间的微(wei)观(guan)作用机制(zhi)仍需要深(shen)入研究(jiu)。
生物(wu)材料(liao)的(de)表面功能修饰在生(sheng)物(wu)医用(yong)材料(liao)的发(fa)展(zhan)中起(qi)着至关重(zhong)要(yao)的作(zuo)用，它是一(yi)个(ge)融(rong)合交(jiao)叉(cha)了(le)材料(liao)科(ke)学
和生物(wu)科学(xue)等(deng)多学科(ke)的(de)复杂系(xi)统(tong)工程(cheng)，需(xu)要兼(jian)顾生(sheng)物(wu)医学工(gong)程各领(ling)域的(de)需(xu)要。表(biao)面修(xiu)饰是(shi)为介导(dao)材料(liao)表面(mian)与(yu)
细胞(bao)的(de)相互作(zuo)用(yong)并(bing)实(shi)现理想(xiang)的(de)表(biao)面修(xiu)饰(shi)，它(ta)包括(kuo)表(biao)面(mian)拓(tuo)扑(pu)结构(gou)、特(te)异性(xing)识(shi)别、亲(qin)水-疏(shu)水(shui)平(ping)衡(heng)、蛋(dan)白(bai)质吸(xi)附
等(deng)各(ge)个方面(mian)，更重(zhong)要的是(shi)力图趋(qu)近(jin)调(diao)
控(kong)细胞在材料(liao)表面(mian)生长和凋(diao)亡(wang)这一(yi)动态双向平衡(heng),给(gei)细胞创(chuang)造良(liang)好(hao)的人工(gong)ECMs环(huan)境，达(da)到(dao)对(dui)细(xi)胞(bao)表型的(de)理想(xiang)
表达并促进(jin)组织的(de)重建和(he)发(fa)挥(hui)其功(gong)能(neng)。如(ru)何(he)控(kong)制生物(wu)医(yi)用材(cai)料的生(sheng)物(wu)响(xiang)应，赋予其特异性是医用材料(liao)表(biao)面修(xiu)
饰(shi)的研(yan)究基础(chu)和(he)出发(fa)点。生(sheng)物医用材(cai)料表面(mian)修(xiu)饰(shi)的(de)一(yi)个重(zhong)要(yao)方面(mian)是赋予(yu)表(biao)面以细(xi)胞表(biao)面(mian)整联(lian)蛋(dan)白(bai)所能识(shi)别和(he)
结合(he)的位(wei)点。由(you)此(ci)可(ke)知，面对生(sheng)
物(wu)医(yi)用金(jin)属材(cai)料的巨大(da)挑战，应(ying)从材料(liao)与(yu)细胞的(de)相(xiang)互(hu)作用入(ru)手，了解记录(lu)细胞(bao)与(yu)材料(liao)之间(jian)、细胞之(zhi)间的(de)信息
传输(shu)，通(tong)过(guo)分(fen)子(zi)设计和结(jie)构(gou)模拟，合(he)成或(huo)制(zhi)备出(chu)材料(liao)表面有(you)活(huo)性(xing)的生(sheng)物医用材料(liao)。只(zhi)有深入理(li)解(jie)生(sheng)物材料与
宿(su)主的(de)相(xiang)互(hu)作(zuo)用，如(ru)以锁(suo)匙(shi)学为基(ji)础(chu)的(de)生物特异(yi)分(fen)子(zi)识别，才能(neng)使生(sheng)物(wu)材料(liao)表(biao)面修(xiu)饰更(geng)为(wei)有效。
随着材(cai)料科(ke)学与(yu)冶金学、机(ji)械工程(cheng)、生(sheng)物学、临(lin)床(chuang)医学(xue)、化(hua)学、物理(li)、影(ying)像学(xue)等(deng)学科的(de)交叉(cha)发(fa)展(zhan)，钛合(he)
金等医用金属材(cai)料研究(jiu)也(ye)应从被动适(shi)应生物环境向具(ju)备细(xi)胞/基因活化(hua)和(he)组织诱(you)导功(gong)能(neng)的半生(sheng)命方向、组织(zhi)
学适(shi)应、诱导及(ji)参(can)与生(sheng)物(wu)体物(wu)质和能量(liang)交换(huan)的功能性(xing)或智能化(hua)的生(sheng)物材(cai)料方向(xiang)发展。具有智能(neng)化(hua)的人工辅助(zhu)
心(xin)脏(zang)、脑(nao)刺(ci)激(ji)器等(deng)钛(tai)制有(you)源医疗器械正(zheng)
在(zai)成为医治(zhi)心(xin)衰和(he)帕金森(sen)等运(yun)动障碍患(huan)者(zhe)的(de)福音。
因(yin)此从组织(zhi)工(gong)程(cheng)学原理、基因控(kong)制和(he)仿(fang)生(sheng)原(yuan)理(li)、基质控制(zhi)矿化等(deng)研究(jiu)思路出(chu)发，研(yan)究钛合(he)金材料表面微
纳化(hua)和多尺度结构(gou)设(she)计、理化(hua)性(xing)能(neng)调控(kong)及其(qi)与(yu)机体(ti)组织之(zhi)间(jian)表面(mian)/界(jie)面(mian)的相(xiang)互(hu)作(zuo)用与(yu)微(wei)观机(ji)制，立(li)足提高(gao)医(yi)
用钛(tai)合金材(cai)料(liao)的生(sheng)物及(ji)力(li)学相容性(xing)，将(jiang)是(shi)今(jin)后医用钛合(he)金(jin)材料发(fa)展的重(zhong)要研究方向和(he)奋(fen)斗目(mu)标。
参 考 文(wen) 献(xian)
[1] Niinomi M. Recent metallic materials for biomedical applications [J]. Metall. Mater.
Trans., 2002, 33A: 477
[2] Bothe R T, Beaton L E, Davenport H A. Reaction of bone to multi-ple metallic implants
[J]. Surg. Gynecol. Obstet., 1940, 71: 598
[3] Leventhal G S. Titanium, a metal for surgery [J]. J. Bone Joint Surg. Am., 1951, 33A:
473
[4] Brånemark P I, Breine U, Adell R, et al. Intra-osseous anchorage of dental prostheses:
I. Experimental studies [J]. Scand. J. Plast. Re-constr. Surg., 1969, 3: 81
[5] Brånemark P, Hansson B, Adell R, et al. Osseointegrated implants in the treatment of
the edentulous jaw. Experience from a 10-year period [J]. Scand. J. Plast. Reconstr. Surg.
Suppl., 1977, 16: 1
[6] Geetha M, Singh A K, Asokamani R, et al. Ti based biomaterials,the ultimate choice for
orthopaedic implants—A review [J]. Prog.Mater. Sci., 2009, 54: 397
[7] Long M, Rack H J. Titanium alloys in total joint replacement—Amaterials science
perspective [J]. Biomaterials, 1998, 19: 1621
[8] Kuroda D, Niinomi M, Morinaga M, et al. Design and mechanical properties of new b type
titanium alloys for implant materials [J].Mater. Sci. Eng., 1998, A243: 244
[9] Niinomi M. Recent research and development in titanium alloys for biomedical
applications and healthcare goods [J]. Sci. Technol. Adv. Mater., 2003, 4: 445
[10] Rack H J, Qazi J I. Titanium alloys for biomedical applications [J].Mater. Sci. Eng.,
2006, C26: 1269
[11] Semlitsch M, Staub F, Weber H. Titanium-aluminium-niobium al-loy, development for
biocompatible, high strength surgical im-plants [J]. Biomed. Eng., 1985, 30: 334
[12] Eisenbarth E, Velten D, Müller M, et al. Biocompatibility of b-stabilizing elements
of titanium alloys [J]. Biomaterials, 2004, 25:5705
[13] Wang K. The use of titanium for medical applications in the USA [J]. Mater. Sci.
Eng., 1996, A213: 134
[14] Yu Z T, Zhang Y F, Yuan S B, et al. Microstructure and wear resis-tance of a novel
Ti4Zr1Sn3Mo25Nb (TLM) alloy [J]. Rare. Met.Mater. Eng., 2008, 37(suppl. 4): 542
(于(yu)振(zhen)涛, 张亚(ya)锋, 袁(yuan)思波等. 近(jin) β型(xing)钛(tai)合(he)金 Ti4Zr1Sn3Mo25Nb(TLM)热处理与材料强(qiang)化(hua)研(yan)究(jiu) [J]. 稀
有(you)金属材料与(yu)工(gong)程, 2008,37(增(zeng)刊4): 542)
[15] Yu Z T, Zhang Y F, Liu H, et al. Effects of alloy elements, process-ing and heat
treatment on mechanical properties of a near b type biomedical titanium alloy TiZrMoNb and
microstructure analysis,Rare Met. Mater. Eng., 2010, 39: 1795
(于振(zhen)涛(tao), 张(zhang)亚(ya)峰, 刘(liu) 辉(hui)等(deng). 合金(jin)元素(su)、加工与(yu)热(re)处理(li)对(dui)新(xin)型(xing)近β型(xing)钛(tai)合(he)金(jin)TiZrMoNb力(li)学(xue)性(xing)能的影响及
微观(guan)分析 [J]. 稀有(you)金属(shu)材(cai)料(liao)与(yu)工程(cheng), 2010, 39: 1795)
[16] Yu Z T, Zhang M H, Tian Y X, et al. Designation and developmentof biomedical Ti
alloys with finer biomechanical compatibility in long-term surgical implants [J]. Front.
Mater. Sci., 2014, 8: 219
[17] Song Y, Xu D S, Yang R, et al. Theoretical study of the effects of alloying elements
on the strength and modulus of b- type bio-titanium alloys [J]. Mater. Sci. Eng., 1999, A260:
269
[18] Van Noort R. Titanium: The implant material of today [J]. J. Ma-ter. Sci., 1987, 22:
3801
[19] Takahashi E, Sakurai T, Watanabe S, et al. Effect of heat treatment and Sn content on
superelasticity in biocompatible TiNbSn alloys [J]. Mater. Trans., 2002, 43: 2978
[20] Niinomi M. Mechanical properties of biomedical titanium alloys [J]. Mater. Sci. Eng.,
1998, A243: 231
[21] Obbard E G, Hao Y L, Talling R J, et al. The effect of oxygen on α" martensite and
super elasticity in Ti- 24Nb-4Zr-8Sn [J]. Acta Mater., 2011, 59: 112
[22] Banerjee R, Nag S, Fraser H L. A novel combinatorial approach to the development of
beta titanium alloys for orthopaedic implants [J]. Mater. Sci. Eng., 2005, C25: 282
[23] Hu Q M, Li S J, Hao Y L, et al. Phase stability and elastic modulus of Ti alloys
containing Nb, Zr, and/or Sn from first-principles cal-culations [J]. Appl. Phys. Lett., 2008,
93: 121902
[24] Zhao L C, Cui C X, Liu S J, et al. Design and research on proper-ties of new type
metastable b-titanium alloys for biomedical appli-cations based on the d-electron alloy design
method [J]. Rare Met.Mater. Eng., 2008, 37: 108
(赵(zhao)立臣(chen), 崔(cui)春(chun)翔, 刘双进等. 基(ji)于d电(dian)子合(he)金(jin)设(she)计方法(fa)的(de)生(sheng)物医用新型(xing)亚(ya)稳β钛(tai)合(he)金(jin)的(de)设(she)计及性能(neng)研究
[J]. 稀(xi)有(you)金(jin)属材(cai)料(liao)与工(gong)程(cheng), 2008, 37: 108)
[25] Yu Z T, Yu S, Zhang M H, et al. Design, development and applica-tion of novel
biomedical Ti alloy materials applied in surgical im-plants [J]. Mater. China, 2010, 29(12):
35
(于(yu)振(zhen)涛, 余(yu) 森, 张明华(hua)等(deng). 外(wai)科(ke)植入物用新型医用(yong)钛(tai)合金材(cai)料(liao)设计, 开发(fa)与(yu)应用现(xian)状及(ji)进展(zhan) [J]. 中
国材料进展(zhan), 2010, 29(12):35)
[26] Saito T, Furuta T, Hwang J H, et al. Multifunctional alloys ob-tained via a
dislocation- free plastic deformation mechanism [J].Science, 2003, 300: 464
[27] Fu Y Y, Yu Z T, Zhou L, et al. Influence of microstructure on ten-sile strength and
fracture toughness of a Ti-13Nb-13Zr alloy [J].Rare Met. Mater. Eng., 2005, 34: 881
(付艳(yan)艳, 于(yu)振涛(tao), 周(zhou) 廉等. 显微组织(zhi)对 Ti-13Nb-13Zr 医用钛合(he)金(jin)力学性能的(de)影(ying)响 [J]. 稀(xi)有(you)金(jin)属(shu)材
料与(yu)工(gong)程(cheng), 2005, 34: 881)
[28] Eylon D, Vassel A, Combres Y, et al. Issues in the development of beta titanium
alloys [J]. JOM, 1994, 46(7): 14
[29] Liang S J, Hou F Q, Li Y H, et al. Microstructure and mechanical properties of Ti45Nb
wires used in aviation rivets [J]. Rare Met.Mater. Eng., 2015, 44: 2203
(梁(liang)书(shu)锦, 侯(hou)峰起, 李英(ying)浩(hao)等(deng). 航空(kong)紧(jin)固件(jian)用(yong)Ti-45Nb合金丝(si)材的(de)组织(zhi)和性(xing)能 [J]. 稀有金(jin)属材(cai)料与(yu)工程(cheng)
, 2015, 44: 2203)
[30] Niinomi M, Hattori T, Morikawa K, et al. Development of low ri-gidity b-type titanium
alloy for biomedical applications [J]. Mater.Trans., 2002, 43: 2970
[31] Liu H H, Niinomi M, Nakai M, et al. Deformation-induced change-able Young's
modulus with high strength in b-type Ti-Cr-O alloys for spinal fixture [J]. J. Mech. Behav.
Biomed. Mater., 2014, 30:205
[32] Li Q, Niinomi M, Hieda J, et al. Deformation-induced w phase in modified Ti-29Nb-
13Ta-4.6Zr alloy by Cr addition [J]. Acta Bio-mater., 2013, 9: 8027
[33] Yilmazer H, Niinomi M, Nakai M, et al. Mechanical properties of a medical b-type
titanium alloy with specific microstructural evo-lution through high- pressure torsion [J].
Mater. Sci. Eng., 2013,C33: 2499
[34] Niinomi M, Nakai M, Hieda J. Development of new metallic al-loys for biomedical
applications [J]. Acta Biomater., 2012, 8: 3888
[35] Zhao X F, Niinomi M, Nakai M, et al. Optimization of Cr content of metastable b-type
Ti-Cr alloys with changeable Young's modu-lus for spinal fixation applications [J]. Acta
Biomater., 2012, 8:2392
[36] Zhao X L, Niinomi M, Nakai M. Relationship between various de-formation-induced
products and mechanical properties in metasta-ble Ti- 30Zr- Mo alloys for biomedical
applications [J]. J. Mech.Behav. Biomed. Mater., 2011, 4: 2009
[37] Zhao X L, Niinomi M, Nakai M, et al. Microstructures and me-chanical properties of
metastable Ti- 30Zr- (Cr, Mo) alloys with changeable Young's modulus for spinal fixation
applications [J].Acta Biomater., 2011, 7: 3230
[38] Lütjering G, Williams J C. Titanium [M]. Berlin Heidelberg:Springer, 2007: 59
[39] Zhang Y M, Zhou L, Sun J, et al. Progress of vacuum arc remelt-ing technology of
titanium alloys [J]. Rare Met. Lett., 2008, 27(5):9
(张英明, 周 廉, 孙 军(jun)等. 钛(tai)合金(jin)真(zhen)空(kong)自耗电弧熔(rong)炼(lian)技(ji)术发(fa)展[J]. 稀有金属快报(bao), 2008, 27(5): 9)
[40] Lei W G, Zhao Y Q, Han D, et al. Development of melting technol-ogy for titanium and
titanium alloys [J]. Mater. Rev., 2016, 30(5):101
(雷文光(guang), 赵永(yong)庆(qing), 韩 栋(dong)等(deng). 钛及钛(tai)合金熔(rong)炼(lian)技术发(fa)展(zhan)现状 [J].材料导报, 2016, 30(5): 101)
[41] Wang C, Mao X N, Yu L L, et al. Development of melting technol-ogy of titanium alloys
[J]. Hot Work. Technol., 2009, 38(17): 42
(王(wang) 琛(chen), 毛(mao)小(xiao)南(nan), 于兰(lan)兰等(deng). 钛合(he)金熔炼(lian)技(ji)术的(de)进(jin)展 [J]. 热加(jia)工(gong)工艺, 2009, 38(17): 42)
[42] Fox S, Patel A, Tripp D, et al. Recent developments in melting and casting
technologies for titanium alloys [A]. Proceedings of the 13th World Conference on Titanium
[C]. The Minerals, Metals &Materials Society, 2016
[43] Zhang L J, Zhou Z B, Chang H, et al. Segregation behavior and prevention measures of
beta titanium alloy with high molybdenum content [J]. Chin. J. Nonferrous. Met., 2013, 23:
2206
(张(zhang)利(li)军(jun), 周(zhou)中(zhong)波, 常(chang) 辉(hui)等(deng). 高钼含量(liang)β型钛(tai)合金(jin)的偏析(xi)行(xing)为及(ji)预(yu)防(fang)措(cuo)施 [J]. 中(zhong)国(guo)有色金(jin)属(shu)学报(bao),
2013, 23: 2206)
[44] Sakamoto K, Kusamichi T, Nakagawa T, et al. Simulation on mac-ro segregation in large
forging ingots and VAR ingots [J]. J. Jpn Foundry Eng. Soc., 1998, 70: 21
[45] Leder M O, Gorina A V, Kornilova M A, et al. Definition method of thermal-physics
properties of titanium alloys and boundary data parameters for vacuum arc remelting process
[J]. Tsvetn. Met.,2016, (4): 70
[46] Ballantyne A S. The development and application of an integrated VAR process model
[J]. BHM Berg, 2016, 161(suppl. 1): 12
[47] Zheng Y B, Chen Z Q, Chen F, et al. Control of copper segregation for large size TA13
Titanium alloy ingot [J]. Titanium Ind. Prog.,2011, 28(4): 32
(郑亚(ya)波(bo), 陈(chen)战(zhan)乾(qian), 陈(chen) 峰(feng)等(deng). 大(da)规格 TA13 钛合(he)金铸(zhu)锭(ding) Cu 偏(pian)析(xi)控制(zhi) [J]. 钛工(gong)业(ye)进展, 2011, 28(4):
32)
[48] Zhao Y Q, Liu J L, Zhou L. Analysis on the segregation of typical b alloying elements
of Cu, Fe and Cr in Ti alloys [J]. Rare Met.Mater. Eng., 2005, 34: 531
(赵永(yong)庆(qing), 刘(liu)军(jun)林, 周 廉. 典(dian)型 β型(xing)钛(tai)合(he)金(jin)元(yuan)素 Cu, Fe 和(he) Cr 的(de)偏(pian)析规律(lv) [J]. 稀(xi)有(you)金属(shu)材(cai)料(liao)与(yu)工(gong)
程, 2005, 34: 531)
[49] Mir H E, Jardy A, Bellot J P, et al. Thermal behaviour of the con-sumable electrode
in the vacuum arc remelting process [J]. J. Ma-ter. Process. Technol., 2010, 210: 564
[50] Sankar M, Prasad V V S, Baligidad R G, et al. Effect of vacuum arc remelting and
processing parameters on structure and proper-ties of high purity niobium [J]. Int. J.
Refract. Met. Hard Mater.,2015, 50: 120
[51] Kou H C, Zhang Y J, Li P F, et al. Numerical simulation of titani-um alloy ingot
solidification structure during VAR process based on three- dimensional CAFÉ method [J]. Rare
Met. Mater. Eng.,2014, 43: 1537
[52] Zhang Y J, Kou H C, Li P F, et al. Simulation on solidification structure and
shrinkage porosity (hole) in TC4 ingot during vacu-um arc remelting process [J]. Spec. Cast.
Nonferrous Alloys,2012, 32: 418
(张(zhang)颖娟, 寇(kou)宏(hong)超(chao), 李(li)鹏(peng)飞等(deng). 真空(kong)自(zi)耗电(dian)弧熔炼TC4铸锭的(de)凝(ning)固(gu)组(zu)织和缩(suo)松缩孔(kong)的(de)模(mo)拟(ni) [J]. 特种(zhong)铸造
及有(you)色(se)合金(jin), 2012, 32:418)
[53] Kennedy R L, Jones R M F, Davis R M, et al. Superalloys made by conventional vacuum
melting and a novel spray forming pro-cess [J]. Vacuum, 1996, 47: 819
[54] Zhang W, Lee P D, McLean M. Numerical simulation of dendrite white spot formation
during vacuum arc remelting of INCO-NEL718 [J]. Metall. Mater. Trans., 2002, 33A: 443
[55] Xu X, Zhang W, Lee P D. Tree-ring formation during vacuum arc remelting of INCONEL
718: Part II. Mathematical modeling [J].Metall. Mater. Trans., 2002, 33A: 1805
[56] Gartling D K, Sackinger P A. Finite element simulation of vacuum arc remelting [J].
Int. J. Numer. Methods Fluids, 1997, 24: 1271
[57] Tomono H, Hitomi Y, Ura S, et al. Mechanism of formation of the V-shaped segregation
in the large section continuous cast bloom [J]. Trans. Iron Steel Inst. Japan, 1984, 24: 917
[58] Xu X, Ward R M, Jacobs M H, et al. Tree-ring formation during vacuum arc remelting of
INCONEL 718: Part I. Experimental in-vestigation [J]. Metall. Mater. Trans., 2002, 33A: 1795
[59] Yang Z J. Coupling of multi-fields in VAR process of titanium alloy and its effects
on the solidification behaviors [D]. Xi'an:Northwestern Polytechnical University, 2011
(杨(yang)治军(jun). 钛合(he)金 VAR 过(guo)程多(duo)场(chang)耦合及其对(dui)凝(ning)固(gu)行为的(de)影响(xiang)[D]. 西(xi)安(an): 西(xi)北(bei)工业大学, 2011)
[60] Fedotov S G, Chelidze T V, Kovneristyy Y K, et al. Phase transfor-mations during
heating of metastable alloys of the Ti- Ta system [J]. Phys. Met. Metallogr., 1986, 62: 109
[61] Zhou Y L, Niinomi M, Akahori T. Effects of Ta content on Young's modulus and
tensile properties of binary Ti-Ta alloys for biomedi-cal applications [J]. Mater. Sci. Eng.,
2004, A371: 283
[62] Margevicius R W, Cotton J D. Stress-assisted transformation in Ti-60 wt pct Ta alloys
[J]. Metall. Mater. Trans., 1998, 29A: 139
[63] Wang L, Lu W, Qin J, et al. Texture and superelastic behavior of cold-rolled TiNbTaZr
alloy [J]. Mater. Sci. Eng., 2008, A491: 372
[64] Takahashi M, Kikuchi M, Takada Y, et al. Mechanical properties and microstructures of
dental cast Ti- Ag and Ti- Cu alloys [J].Dent. Mater. J., 2002, 21: 270
[65] Hamzah E, Hastuti K, Hashim J. Effect of ageing temperature on the microstructures
and mechanical properties of Ti- Nb shape memory alloys [J]. Adv. Mater. Res., 2014, 1024: 304
[66] Inamura T, Kim J I, Kim H Y, et al. Composition dependent crys-tallography of α"-
martensite in Ti-Nb-based b-titanium alloy [J].Philos. Mag., 2007, 87: 3325
[67] Valiev R, Materials science: Nanomaterial advantage [J]. Nature,2002, 419: 887
[68] Valiev R Z, Langdon T G. Achieving exceptional grain refinement through severe
plastic deformation: New approaches for improv-ing the processing technology [J]. Metall.
Mater. Trans., 2011,42A: 2942
[69] Valiev R Z, Langdon T G. Principles of equal- channel angular pressing as a
processing tool for grain refinement [J]. Prog. Mater Sci., 2006, 51: 881
[70] Zhu Y T, Liao X Z. Nanostructured metals: Rretaining ductility [J].Nat. Mater., 2004,
3: 351
[71] Zhu Y T, Lowe T C, Valiev R Z, et al. Ultrafine-grained titanium for medical implants
[P]. US Pat, 6399215 B1, 2002
[72] Yu Z, Ma X, Wang G, et al. Microstructure and mechanical proper- ties of biomedical
near-b Ti alloy TLM with nanostructure by ARB process [J], Ti 2011-Proceeding of the 12th
World Confer-ence on Titanium [C], Science Press, 2012: 2054
[73] Ma X Q, Yu Z T, Niu J L, et al. Microstructure and properties of ul-trafine grained
TLM alloy ARB sheet [J]. Rare Met. Mater. Eng.,2014, 43(suppl. 1): 152
(麻西群, 于(yu)振涛, 牛(niu)金龙等. 超细(xi)晶 TLM 钛(tai)合(he)金复合板(ban)材的(de)组织与(yu)性(xing)能(neng) [J]. 稀(xi)有金属材(cai)料与工(gong)程,
2014, 43(增(zeng)刊1): 152
[74] Kent D, Wang G, Yu Z T, et al. Strength enhancement of a biomed-ical titanium alloy
through a modified accumulative roll bonding technique [J]. J. Mech. Behav. Biomed. Mater.,
2011, 4: 405
[75] Buettner K M, Valentine A M. Bioinorganic chemistry of titanium [J]. Chem. Rev.,
2012, 112: 1863
[76] Bertollo N, Da Assuncao R, Hancock N J, et al. Influence of elec-tron beam melting
manufactured implants on ingrowth and shear strength in an ovine model [J]. J. Arthroplasty,
2012, 27: 1429
[77] Butscher A, Bohner M, Hofmann S, et al. Structural and material approaches to bone
tissue engineering in powder-based three-dimensional printing [J]. Acta Biomater., 2011, 7:
907
[78] Bartolo P, Kruth J P, Silva J, et al. Biomedical production of im-plants by additive
electro- chemical and physical processes [J].CIRP Ann.-Manuf. Technol., 2012, 61: 635
[79] Wehmöller M, Warnke P H, Zilian C, et al. Implant design and production—A new
approach by selective laser melting [J]. Int.Congress Ser., 2005, 1281: 690
[80] Tian Y X, Yu Z T, Ong C Y A, et al. Microstructure, elastic defor-mation behavior and
mechanical properties of biomedical β-type titanium alloy thin- tube used for stents [J]. J.
Mech. Behav.Biomed. Mater., 2015, 45: 132
[81] Yu S, Yu Z T, Wang G, et al. Biocompatibility and osteoconduction of active porous
calcium-phosphate films on a novel Ti-3Zr-2Sn-3Mo- 25Nb biomedical alloy [J]. Colloids Surf.,
2011, 85B: 103
[82] Bansiddhi A, Sargeant T D, Stupp S I, et al. Porous NiTi for bone implants: A review
[J]. Acta Biomater., 2008, 4: 773
[83] Bose S, Vahabzadeh S, Bandyopadhyay A. Bone tissue engineer-ing using 3D printing
[J]. Mater. Today, 2013, 16: 496
[84] Li J P, Habibovic P, van den Doel M, et al. Bone ingrowth in po-rous titanium
implants produced by 3D fiber deposition [J]. Bio-materials, 2007, 28: 2810
[85] Parthasarathy J, Starly B, Raman S, et al. Mechanical evaluation of porous titanium
(Ti6Al4V) structures with electron beam melt-ing (EBM) [J]. J. Mech. Behav. Biomed. Mater.,
2010, 3: 249
[86] Pattanayak D K, Fukuda A, Matsushita T, et al. Bioactive Ti metal analogous to human
cancellous bone: Fabrication by selective laser melting and chemical treatments [J]. Acta
Biomater., 2011, 7: 1398
[87] Murr L E, Martinez E, Amato K N, et al. Fabrication of metal and alloy components by
additive manufacturing: Examples of 3D ma-terials science [J]. J. Mater. Res. Technol., 2012,
1: 42
[88] St-Pierre J P, Gauthier M, Lefebvre L P, et al. Three-dimensional growth of
differentiating MC3T3-E1 pre-osteoblasts on porous ti-tanium scaffolds [J]. Biomaterials,
2005, 26: 7319
[89] Jiang S W, Qi M. Development of porous metals used as biomateri-als [J]. Mater. Sci.
Eng., 2002, 20: 597
(姜淑(shu)文(wen), 齐(qi) 民. 生(sheng)物医用多孔金(jin)属材料的研究进展 [J]. 材(cai)料科(ke)学(xue)与工(gong)程, 2002, 20: 597)
[90] Levine B R, Sporer S, Poggie R A, et al. Experimental and clinical performance of
porous tantalum in orthopedic surgery [J]. Bioma-terials, 2006, 27: 4671
[91] Geng L X, Gan H Q, Wang Q, et al. Effect of domestic porous tan-talum on
biocompatibility and osteogenic gene expression in rat osteoblasts [J]. J. Third. Mil. Med.
Univ., 2014, 36: 1163
(耿(geng)丽鑫, 甘(gan)洪(hong)全, 王 茜(qian)等. 国产多(duo)孔(kong)钽对成(cheng)骨细胞生物(wu)相(xiang)容(rong)性及其(qi)相(xiang)关成骨(gu)基(ji)因(yin)表(biao)达的影响(xiang) [J]. 第
三(san)军医大(da)学学报, 2014,36: 1163)
[92] Wang C H, Yang C D, Liu M, et al. Martensitic microstructures and mechanical
properties of as- quenched metastable b- type Ti-Mo alloys [J]. J. Mater. Sci., 2016, 51: 6886
[93] Hao Y L, Yang R, Li S J, et al. Ageing response of Young's modu-lus and
mechanical properties of Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr for biomedi-cal applications [J]. Acta Metall.
Sin., 2002, 38(suppl.): 126
(郝(hao)玉琳(lin), 杨(yang) 锐, 李(li)述军(jun)等. 时效(xiao)处理(li)对Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr医用钛(tai)合金(jin) Young's 模量(liang)和(he)力(li)学性(xing)
能(neng)的(de)影(ying)响 [J]. 金属(shu)学(xue)报, 2002, 38(增刊): 126)
[94] Miura K, Yamada N, Hanada S, et al. The bone tissue compatibili-ty of a new Ti-Nb-Sn
alloy with a low Young's modulus [J]. Acta Biomater., 2011, 7: 2320
[95] Ohmori Y, Ogo T, Nakai K, et al. Effects of w-phase precipitation on b→a, a′′
transformations in a metastable b titanium alloy [J].Mater. Sci. Eng., 2001, A312: 182
[96] Mantani Y, Takemoto Y, Hida M, et al. Phase transformation of α"martensite structure
by aging in Ti-8 mass % Mo alloy [J]. Mater.Trans., 2004, 45: 1629
[97] Hanada S, Izumi O. Transmission electron microscopic observa-tions of mechanical
twinning in metastable beta titanium alloys [J]. Metall. Trans., 1986, 17A: 1409
[98] Zhao X F, Niinomi M, Nakai M, et al. Beta type Ti-Mo alloys with changeable
Young's modulus for spinal fixation applications [J].Acta Biomater., 2012, 8: 1990
[99] Nakai M, Niinomi M, Zhao X L, et al. Young's modulus change-able titanium alloys
for orthopaedic applications [J]. Mater. Sci.Forum, 2012, 706-709: 557
[100] Nakai M, Niinomi M, Zhao X F, et al. Self-adjustment of Young's modulus in
biomedical titanium alloys during orthopaedic opera-tion [J]. Mater. Lett., 2011, 65: 688
[101] Niinomi M, Liu Y, Nakai M, et al. Biomedical titanium alloys with Young's moduli
close to that of cortical bone [J]. Regen.Biomater., 2016, 3:173
[102] Ma X Q, Han Y, Yu Z T, et al. Phase transformation and mechani-cal properties of TLM
titanium alloy for orthopaedic implant ap-plication [J]. Rare Met. Mater. Eng., 2012, 41: 1535
(麻西(xi)群, 憨 勇, 于振(zhen)涛等(deng). 骨(gu)科植入(ru)用 TLM 钛合金的相转变(bian)与力学性(xing)能 [J]. 稀有(you)金属(shu)材(cai)料(liao)与(yu)工程,
2012, 41: 1535)
[103] Ma X Q, Yu Z T, Niu J L, et al. Microstructure and mechanical properties of Ti-3Zr-
Mo-15Nb medical titanium alloys [J]. RareMet. Mater. Eng., 2010, 39: 1956
(麻(ma)西(xi)群(qun), 于振(zhen)涛, 牛金(jin)龙(long)等(deng). Ti-3Zr-Mo-15Nb 医(yi)用(yong)钛(tai)合(he)金(jin)的显微组织及力学性(xing)能 [J]. 稀有金(jin)属材料
与工程(cheng), 2010, 39: 1956)
[104] Beder O E, Stevenson J K, Jones T W. A further investigation of the surgical
application of titanium metal in dogs [J]. Surgery,1957, 41: 1012
[105] Pye A D, Lockhart D E A, Dawson M P, et al. A review of dental implants and
infection [J]. J. Hosp. Infect., 2009, 72: 104
[106] Mow V C, Huiskes R, translated by Tang T T, Pei G X, Li X, et al. Basic Orthopaedic
Biomechanics and Mechano-Biology [M].3rd Ed., Jinan: Shandong Science and Technology Press,
2009: 13
(Mow V C, Huiskes R 著, 汤(tang)亭亭, 裴(pei)国(guo)献, 李(li) 旭等译. 骨(gu)科生(sheng)物(wu)力(li)学暨(ji)力(li)学(xue)生(sheng)物学(xue) [M]. 第(di) 3 版.
济(ji)南: 山(shan)东(dong)科学(xue)技术(shu)出版(ban)社(she), 2009: 13)
[107] Yu Z T, Zhang M H, Yu S, et al. Analysis of R&D, production and application of
biomedical Ti alloys materials applied in medi-cal devices of China [J]. China Med. Device
Inform., 2012,18(7): 1
(于(yu)振(zhen)涛(tao), 张(zhang)明华, 余(yu) 森等(deng). 中国(guo)医疗(liao)器(qi)械用(yong)钛(tai)合(he)金(jin)材(cai)料(liao)研(yan)发、生产(chan)与(yu)应用现(xian)状分(fen)析 [J]. 中(zhong)国医疗(liao)器
械信(xin)息(xi), 2012, 18(7): 1)
[108] Yu Z T, Yu S, Zhang M H, et al. Design, development and appli-cation of novel
biomedical Ti alloy materials applied in surgical implants [J]. Mater. China, 2010, 29(12): 35
(于振(zhen)涛, 余 森(sen), 张(zhang)明(ming)华等. 外科植入物用新(xin)型医用钛(tai)合金材(cai)料(liao)设计、开(kai)发(fa)与(yu)应用(yong)现状及(ji)进展(zhan) [J]. 中(zhong)
国(guo)材料(liao)进展(zhan), 2010,29(12): 35)
[109] Hao Y L, Yang R. Biomedical titanium alloy with ultralow elastic modulus and high
strength [J]. Mater. Sci. Forum, 2010, 654:2130
[110] Yu Z T, Ma X Q, Yu S, et al. Micro-nano technology and latest progress of biomedical
titanium alloy [J]. Chin. J. Nonferrous Met., 2010, 20(suppl. 1): 1008
(于振涛(tao), 麻西群(qun), 余 森(sen)等(deng). 生物(wu)医用钛合(he)金(jin)的微纳化加(jia)工技(ji)术(shu)及最(zui)新进展 [J]. 中(zhong)国有色(se)金(jin)属(shu)学报,
2010, 20(增刊(kan)1): 1008)
[111] Yu Z T, Han J Y, Ma X Q, et al. Biological and mechanical com-patibility of
biomedical titanium alloy materials [J]. Chin. J. Tis-sue Eng. Res., 2013, 17: 4707
(于(yu)振(zhen)涛, 韩(han)建(jian)业(ye), 麻(ma)西(xi)群(qun)等. 生(sheng)物(wu)医用(yong)钛合金材料(liao)的(de)生物(wu)及力学(xue)相(xiang)容(rong)性(xing) [J]. 中国组织(zhi)工程(cheng)研究(jiu),
2013, 17: 4707)
[112] Xi T F. Evaluation of biology based on medical devices [J]. Chi-na Med. Device
Inform., 1999, 5(3): 4
(奚(xi)廷(ting)斐(fei). 医(yi)疗器械生(sheng)物学评(ping)价 [J]. 中国医疗(liao)器械信息, 1999,5(3): 4)
[113] Okazaki Y, Ito Y, Kyo K, et al. Corrosion resistance and corro-sion fatigue strength
of new titanium alloys for medical implants without V and Al [J]. Mater. Sci. Eng., 1996,
A213: 138
[114] Okazaki Y, Gotoh E. Comparison of metal release from various metallic biomaterials
in vitro [J]. Biomaterials, 2005, 26: 11
[115] Sumner D R, Galante J O. Determinants of stress shielding: De-sign versus materials
versus interface [J]. Clin. Orthop. Relat.Res., 1992, 274: 202
[116] Li Y H, Yang C, Zhao H D, et al. New developments of Ti-based alloys for biomedical
applications [J]. Materials, 2014, 7: 1709
[117] Matsuno H, Yokoyama A, Watari F, et al. Biocompatibility and osteogenesis of
refractory metal implants, titanium, hafnium, nio-bium, tantalum and rhenium [J].
Biomaterials, 2001, 22: 1253
[118] Cremasco A, Messias A D, Esposito A R, et al. Effects of alloying elements on the
cytotoxic response of titanium alloys [J]. Mater.Sci. Eng., 2011, C31: 833
[119] Elias C N, Lima J H C, Valiev R, et al. Biomedical applications of titanium and its
alloys [J]. JOM, 2008, 60: 46
[120] Kirmanidou Y, Sidira M, Drosou M E, et al. New Ti-alloys and surface modifications
to improve the mechanical properties and the biological response to orthopedic and dental
implants: A re-view [J]. BioMed Res. Int., 2016, 2016: 2908570
[121] Dohan Ehrenfest D M, Coelho P G, Kang B S, et al. Classifica-tion of osseointegrated
implant surfaces: Materials, chemistry and topography [J]. Trends Biotechnol., 2010, 28: 198
[122] Richert L, Vetrone F, Yi J H, et al. Surface nanopatterning to con-trol cell growth
[J]. Adv. Mater., 2008, 20: 1488
[123] Zhang C B, Chen F L, Zhang R, et al. Experimental research on the osteoblasts
function on Ti- 75 alloy [J]. J. Pract. Stomatol.,2000, 16: 24
(张春(chun)宝, 陈(chen)富(fu)林, 张 蓉(rong)等. Ti-75合金(jin)对人(ren)成(cheng)骨细(xi)胞的(de)生(sheng)长、增(zeng)殖(zhi)和(he)功(gong)能(neng)分(fen)化(hua)的影响(xiang) [J]. 实用口(kou)腔
医学(xue)杂(za)志(zhi), 2000, 16: 24)
[124] Hernandez-Rodriguez M A L, Contreras-Hernandez G R, Juarez-Hernandez A, et al.
Failure analysis in a dental implant [J]. Eng.Fail. Anal., 2015, 57: 236
[125] Zhao F, Han Y F, Hu J F. Three-dimensional finite element meth-od analysis of
relation of implant elastic modulus and initial stress and bone- implant surface stress
distribution [J]. Chin. J.Oral Implantol., 2006, 11(2): 55(赵(zhao) 峰(feng), 韩彦(yan)峰(feng), 胡江峰(feng). 弹性模量和初
始(shi)应(ying)力(li)对种植体骨(gu)界(jie)面应(ying)力分(fen)布影响(xiang)的(de)三维有(you)限元分(fen)析(xi) [J]. 中(zhong)国(guo)口腔种(zhong)植(zhi)学(xue)杂(za)志,2006, 11(2): 55)
[126] Su Y C. Contemporary Oral Implantology [M]. Beijing: People's Medical Publishing
House, 2004: 91
(宿玉(yu)成. 现代口(kou)腔(qiang)种植学 [M]. 北京: 人(ren)民(min)卫(wei)生出版(ban)社, 2004:91)
[127] Wang Q T, Zhang Y M, Hu N S, et al. Microstructure analysis of fractured Ti alloy
implant [J]. Rare Met. Mater. Eng., 2004, 33:442
(王勤涛, 张玉(yu)梅(mei), 胡(hu)奈(nai)赛(sai)等. 钛合金种(zhong)植(zhi)体(ti)临床(chuang)断(duan)裂(lie)的(de)原因分析(xi) [J]. 稀有金属(shu)材料与工(gong)程, 2004,
33: 442)
[128] Shemtov-Yona K, Rittel D. Identification of failure mechanisms in retrieved
fractured dental implants [J]. Eng. Fail. Anal., 2014,38: 58
[129] Kuramoto S, Furuta T, Hwang J H, et al. Plastic deformation in a multifunctional
Ti-Nb-Ta-Zr-O alloy [J]. Metall. Mater. Trans.,2006, 37A: 657
[130] Yu Z T, Zhou L, Luo L J, et al. Investigation on mechanical com-patibility matching
for biomedical titanium alloys [J]. Key Eng.Mater., 2005, 288-289: 595
[131] Abdel-Hady G M, Niinomi M. Biocompatibility of Ti-alloys for long- term implantation
[J]. J. Mech. Behav. Biomed. Mater.,2013, 20: 407
[132] Shibata Y, Tanimoto Y, Maruyama N, et al. A review of improved fixation methods for
dental implants. Part II: Biomechanical in-tegrity at bone-implant interface [J]. J.
Prosthodont. Res., 2015,59: 84
[133] DeTolla D H, Andreana S, Patra A, et al. Role of the finite ele-ment model in dental
implants [J]. J. Oral Implantol., 2000, 26:77
[134] Yu Z, Lian Z. Influence of martensitic transformation on mechani-cal compatibility
of biomedical b type titanium alloy TLM [J].Mater. Sci. Eng., 2006, A438: 391
[135] Bai X, Zhao Y, Zeng W, et al. Deformation mechanism and mi-crostructure evolution of
TLM titanium alloy during cold and hot compression [J]. Rare Met. Mater. Eng., 2015, 44: 1827)
[136] Suchanek K, Bartkowiak A, Gdowik A, et al. Crystalline hy-droxyapatite coatings
synthesized under hydrothermal conditions on modified titanium substrates [J]. Mater. Sci.
Eng., 2015, C51:57
[137] Liu J, Wang X D, Jin Q M, et al. The stimulation of adipose-derived stem cell
differentiation and mineralization by ordered rod-like fluorapatite coatings [J].
Biomaterials, 2012, 33: 5036
[138] Xue B J, Guo L T, Chen X Y, et al. Electrophoretic deposition and laser cladding of
bioglass coating on Ti [J]. J. Alloys Compd., 2017, 710: 663
[139] Wen F, Huang N, Sun H, et al. The study of composition, struc-ture, mechanical
properties and platelet adhesion of Ti- O/TiN gradient films prepared by metal plasma
immersion ion implanta-tion and deposition [J]. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect.,2004,
222B: 81
[140] Hwang I J, Choe H C, Brantley W A. Electrochemical characteris-tics of Ti-6Al-4V
after plasma electrolytic oxidation in solutions containing Ca, P, and Zn ions [J]. Surf.
Coat. Technol., 2017,320: 458
[141] Zhou M, Xiong P, Jia Z J, et al. Improved the in vitro cell compat-ibility and
apatite formation of porous Ti6Al4V alloy with mag-nesium by plasma immersion ion implantation
[J]. Mater. Lett.,2017, 202: 9
[142] Schmehl J M, Harder C, Wendel H P, et al. Silicon carbide coat-ing of nitinol stents
to increase antithrombogenic properties and reduce nickel release [J]. Cardiovasc. Revasc.
Med., 2008, 9: 255
[143] Huang C L, Zhao C L, Han P, et al. Histological and biomechani-cal evaluation in the
interface between nano-surface titanium al-loy implants and bone [J]. Chin. J. Tissue Eng.
Res., 2011, 15:3867
(黄成龙(long), 赵常利(li), 韩(han) 培等. 纳(na)米(mi)化表(biao)面(mian)钛(tai)合(he)金(jin)内植物的界(jie)面(mian)组织学和生物力学(xue)评(ping)价(jia) [J]. 中(zhong)国组(zu)织(zhi)工
程研究与临(lin)床康复(fu),2011, 15: 3867)
[144] Gu X F, Jiang Y, Han P, et al. Effect of the nano-surface of titani-um alloy on the
adhesion of osteoblasts [J]. Chin. J. Clin. Rehab.,2006, 10(25): 46
(顾(gu)新丰(feng), 蒋 垚(yao), 韩 培(pei)等. 钛合金(jin)表面(mian)纳米(mi)化对(dui)成骨细胞黏(nian)附的(de)影响 [J]. 中(zhong)国(guo)临床康复, 2006, 10
(25): 46)
[145] Hélary G, Noirclère F, Mayingi J, et al. A new approach to graft bioactive polymer
on titanium implants: Improvement of MG 63 cell differentiation onto this coating [J]. Acta
Biomater., 2009, 5:124
[146] Hoshikawa Y, Onoki T, Akao M, et al. Blood compatibility and tissue responsiveness
on simple and durable methylsiloxane coat-ing [J]. Mater. Sci. Eng., 2012, C32: 1627
[147] Pegg E C, Walker G S, Scotchford C A, et al. Mono-functional aminosilanes as primers
for peptide functionalization [J]. J.Biomed. Mater. Res., 2009, 90A: 947
[148] Zhang F, Zhang Z B, Zhu X L, et al. Silk-functionalized titanium surfaces for
enhancing osteoblast functions and reducing bacteri-al adhesion [J]. Biomaterials, 2008, 29:
4751
[149] Neoh K G, Hu X F, Zheng D, et al. Balancing osteoblast func-tions and bacterial
adhesion on functionalized titanium surfaces [J]. Biomaterials, 2012, 33: 2813
[150] Rychly J, Nebe B J. Cell-material interaction [J]. BioNanoMateri-als, 2013, 14: 153
[151] Huang R, Lu S M, Han Y. Role of grain size in the regulation of osteoblast response
to Ti-25Nb-3Mo-3Zr-2Sn alloy [J]. ColloidsSurf., 2013, 111B: 232
[152] Hanawa T. Biofunctionalization of titanium for dental implant [J]. Jpn. Dent. Sci.
Rev., 2010, 46: 93
[153] Foss B L, Ghimire N, Tang R G, et al. Bacteria and osteoblast ad-hesion to chitosan
immobilized titanium surface: A race for the surface [J]. Colloids Surf., 2015, 134B: 370
[154] Pessková V, Kubies D, Hulejová H, et al. The influence of im-plant surface
properties on cell adhesion and proliferation [J]. J.Mater. Sci. Mater. Med., 2007, 18: 465
[155] Mager M D, LaPointe V, Stevens M M. Exploring and exploiting chemistry at the cell
surface [J]. Nat. Chem., 2011, 3: 582
[156] Benoit D S W, Schwartz M P, Durney A R, et al. Small functional groups for
controlled differentiation of hydrogel-encapsulated hu-man mesenchymal stem cells [J]. Nat.
Mater., 2008, 7: 816
[157] Slater J, Boyce P, Jancaitis M, et al. Modulation of endothelial cell migration via
manipulation of adhesion site growth using nanopatterned surfaces [J]. ACS Appl. Mater.
Interfaces, 2015, 7:4390
[158] Paital S R, Dahotre N B. Calcium phosphate coatings for bio-implant applications:
Materials, performance factors, and meth-odologies [J]. Mater. Sci. Eng., 2009, R66: 1
[159] Sen Y U, Zhen-Tao Y U, Han J Y, et al. Haemocompatibility of Ti-3Zr-2Sn-3Mo-25Nb
biomedical alloy with surface hepariniza- tion using electrostatic self assembly technology
[J]. Trans. Non-ferrous Met. Soc. China, 2012, 22: 3046
[160] Koudelka P, Doktor T, Kytyr D, et al. Micromechanical proper-ties of biocompatible
materials for bone tissue engineering pro-duced by direct 3D printing [J]. Key Eng. Mater.,
2015, 662: 138
[161] Jakus A E, Rutz A L, Shah R N. Advancing the field of 3D bioma-terial printing [J].
Biomed. Mater., 2016, 11: 014102
[162] Hughes G, Öchsner A. Design, manufacture and testing of three-dimensional scaffolds
[J]. Adv. Struct. Mater., 2015, 71: 133
[163] Roach P, Eglin D, Rohde K, et al. Modern biomaterials: A review-bulk properties and
implications of surface modifications [J]. J.Mater. Sci. Mater. Med., 2007, 18: 1263
[164] Yu J, Lin X, Ma L, et al. Influence of laser deposition patterns on part distortion,
interior quality and mechanical properties by la-ser solid forming (LSF) [J]. Mater. Sci.
Eng., 2011, A528:1094
[165] Fukuda A, Takemoto M, Saito T, et al. Osteoinduction of porous Ti implants with a
channel structure fabricated by selective laser melting [J]. Acta Biomater., 2011, 7: 2327
[166] Heinl P, Müller L, Körner C, et al. Cellular Ti-6Al-4V structures with
interconnected macro porosity for bone implants fabricated by selective electron beam melting
[J]. Acta Biomater., 2008, 4:1536
[167] Traini T, Mangano C, Sammons R L, et al. Direct laser metal sin-tering as a new
approach to fabrication of an isoelastic functional-ly graded material for manufacture of
porous titanium dental im-plants [J]. Dent. Mater., 2008, 24: 1525
[168] Murr L E, Quinones S A, Gaytan S M, et al. Microstructure and mechanical behavior of
Ti-6Al-4V produced by rapid-layer man-ufacturing, for biomedical applications [J]. J. Mech.
Behav.Biomed. Mater., 2009, 2: 20
[169] Parthasarathy J. A design for the additive manufacture of func-tionally graded
porous structures with tailored mechanical proper-ties for biomedical applications [J]. J.
Manuf. Process., 2011, 13:160
[170] Xiang L, Wang C, Zhang W, et al. Fabrication and characteriza-tion of porous Ti6Al4V
parts for biomedical applications using electron beam melting process [J]. Mater. Lett., 2009,
63: 403
[171] Horn T J, Harrysson O L A, Marcellin-Little D J, et al. Flexural properties of
Ti6Al4V rhombic dodecahedron open cellular struc-tures fabricated with electron beam melting
[J]. Addit. Manuf.,2014, 1-4: 2
[172] Rafi H K, Karthik N V, Gong H, et al. Microstructures and me-chanical properties of
Ti6Al4V parts fabricated by selective laser melting and electron beam melting[J]. J. Mater.
Eng. Perform.,2013, 22: 3872
[173] Li F, Wang Z, Zeng X. Microstructures and mechanical proper-ties of Ti6Al4V alloy
fabricated by multi-laser beam selective la-ser melting [J]. Mater. Lett., 2017, 199: 79
[174] Leuders S, Thöne M, Riemer A, et al. On the mechanical behav-iour of titanium alloy
TiAl6V4 manufactured by selective laser melting: Fatigue resistance and crack growth
performance [J].Int. J. Fatigue, 2013, 48: 300
[175] Yang J, Wang J, Yuan T, et al. The enhanced effect of surface mi-crostructured
porous titanium on adhesion and osteoblastic differ-entiation of mesenchymal stem cells [J].
J. Mater. Sci. Mater.Med., 2013, 24: 2235
[176] Anselme K, Bigerelle M, Noel B, et al. Qualitative and quantita-tive study of human
osteoblast adhesion on materials with vari-ous surface roughnesses [J]. J. Biomed. Mater.
Res., 2000, 49A:155
[177] Tan X P, Tan Y J, Csl C, et al. Metallic powder-bed based 3D printing of cellular
scaffolds for orthopaedic implants: A state-of-the-art review on manufacturing, topological
design, mechanicalproperties and biocompatibility [J]. Mater. Sci. Eng., 2017, C76:1328
[178] Ru Z F, Li Y, Luo K, et al. Progress in low elastic modulus titani-um alloy [J].
Mater. Rev., 2011, 25(spec. issue): 250
(茹志(zhi)芳, 李(li) 岩, 罗 坤等. 低(di)弹性模量(liang)钛合(he)金(jin)的研(yan)究进展 [J].材料(liao)导报, 2011, 25(特(te)刊): 250)
[179] Bremus- Koebberling E A, Beckemper S, Koch B, et al. Nano structures via laser
interference patterning for guided cell growth of neuronal cells [J]. J. Laser. Appl., 2012,
24: 042013
[180] Munuera C, Matzelle T R, Kruse N, et al. Surface elastic proper-ties of Ti alloys
modified for medical implants: A force spectros-copy study [J]. Acta Biomater., 2007, 3: 113
[181] Mendonça G, Mendonça D B S, Simões L G P, et al. The effects of implant surface
nanoscale features on osteoblast-specific gene expression [J]. Biomaterials, 2009, 30: 4053
相(xiang)关链(lian)接(jie)
