純鈦和Ti-6Al-4V是在臨床最早應用的鈦及鈦合金，也是第一代生物醫(yī)用鈦合金。上世紀40年代初期，純鈦被引入到生物醫(yī)學領域，尤其是60年代純鈦用于口腔種植體后，作為醫(yī)用材料得到了快速發(fā)展。Ti-6Al-4V鈦合金是生產、應用最為廣泛的鈦合金，具有有強度較高、加工性能良好等特點，上世紀70年代開始用于髖關節(jié)、膝關節(jié)等強度、耐磨性要求較高的部位。
純鈦和Ti-6Al-4V是在臨床最早應用的鈦及鈦合金，也是第一代生物醫(yī)用鈦合金。上世紀40年代初期，純鈦被引入到生物醫(yī)學領域，尤其是60年代純鈦用于口腔種植體后，作為醫(yī)用材料得到了快速發(fā)展[2]。Ti-6Al-4V鈦合金是生產、應用最為廣泛的鈦合金，具有有強度較高、加工性能良好等特點[3]，上世紀70年代開始用于髖關節(jié)、膝關節(jié)等強度、耐磨性要求較高的部位。
隨著研究與應用的不斷深入，大量實驗和數據證實Ｖ元素對人體具有毒副作用。從上世紀80年代起，各國進一步研制了Ti-6Al-7Nb、Ti-5Al-2.5Fe等不含V元素的第二代生物醫(yī)用鈦合金[4]。但是以上合金中Al元素仍然未被取代，多項研究表明Al作為慢性蓄積性神經毒物，是誘發(fā)阿爾茲海默癥的重要因素。同時雖然第一、二代醫(yī)用鈦合金的彈性模量（約100GPa）大幅度低于不銹鋼（190GPa），但仍為骨彈性模量（10~30GPa）的4～10倍，仍會引起“應力屏蔽”，導致種植體周圍的骨吸收和松動，嚴重影響遠期植入效果。
美國和日本最先開始第三代醫(yī)用β型鈦合金的研制，主要手段是添加Nb、Mo、Ta、Sn等β穩(wěn)定、生物相容性良好的元素[5]。1994年第一個新型低模量化β型醫(yī)用鈦合金Ti-13Nb-13Zr被正式列入國際醫(yī)用標準，隨后美國又開發(fā)出Ti-12Mo-6Zr-2Fe亞穩(wěn)定β型鈦合金，2000年被全球最大的骨科專業(yè)集團下屬的Strker公司用來制造髖關節(jié)假體系統(tǒng)的股骨柄，并在中國得到臨床應用。此外，日本也開發(fā)了Ti-29Nb-13Ta-5Zr等無毒低模量鈦合金[6]，我國中科院金屬所郝玉琳研究員研發(fā)團隊研發(fā)出新型低模量化β型醫(yī)用鈦合金Ti2448[7]，等等。
通過優(yōu)化設計β穩(wěn)定元素的含量，熱機械加工控制合金的組織及β相穩(wěn)定性，可以在較寬的范圍內調控鈦合金的彈性模量、強度等關鍵使用性能。國內外學者通過Mo量、Kβ穩(wěn)定系數、d-電子合金理論、平均電子濃度e/a、第一性原理和分子軌道理論等方法進行合金成分設計和組織性能的預測，先后開發(fā)了近百種低模量鈦合金，合金設計從二元系到六元系，涉及合金元素近20個[8]。根據主要添加元素的不同，可分為Ti-Mo基、Ti-Nb基、Ti-Ta基、Ti-Zr基等。以上低模量鈦合金由于無毒、易鈍化耐腐蝕元素的加入，一般具有良好的耐腐蝕性和生物安全性。彈性模量方面，通過調控合金元素和熱處理制度，彈性模量可在35GPa~110GPa之間調控。如Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金通過固溶時效處理，彈性模量可降低至55GPa；在Ti-Zr體系中引入元素Mo和Mn，通過其協(xié)同作用穩(wěn)定Ti-Zr合金中的β相，彈性模量可降低至35.1~39.1GPa，與人體骨組織基本匹配[10]；亞穩(wěn)β型Ti-33Nb-4Sn合金通過熱機械處理，可實現超低彈性模量（36GPa）和高強度（853MPa）的良好匹配，在硬組織修復中具有較大應用前景[11]。
功能化是新型醫(yī)用鈦合金的又一重要發(fā)展方向，其中以抗菌鈦合金的研究較為深入。鈦合金作為一類生物惰性材料，自身不具備抗菌或抑菌性能，當植入人體過程中可能帶入有害細菌而引發(fā)感染，嚴重時甚至導致植入失敗。在鈦合金中適量加入Cu、Ag等合金元素，可使鈦合金在保證其基本力學性能的同時，具有一定的抑菌功效。如TiNiAg合金經固溶時效處理后，對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌表現出明顯的抑菌性能，同時仍保持良好的形狀記憶效應和生物相容性[12]。此外，中科院金屬所的楊柯等人開發(fā)了一系列含銅的醫(yī)用鈦合金[13]，當銅含量達到合金占比5%以上時，釋放出的銅離子才能獲得對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌足夠、穩(wěn)定的抗菌性能[14]，且銅離子累計釋放濃度遠低于WHO推薦的人體每天銅攝入量，因此認為Ti-5Cu具有良好的生物相容性。Liu等[15]也認為Ti-5Cu合金能夠實現力學性能、生物相容性、抗菌性能等綜合性能的最優(yōu)匹配，可通過殺滅細菌、抑制細菌黏附明顯抑制高密度細菌產生的細菌生物膜厚度。此外，通過大變形量加工，還可以獲得蜂窩形態(tài)的納米結構，進一步提升Ti-Cu系合金的力學性能[16]。
參考文獻：
[1] M. Geetha, A.K. Singh, R. Asokamani, et al. Ti based biomaterials, the ultimate choice for orthopaedic implants – A review[J]. Progress in Materials Science. 2009, 54: 397-425.
[2] Shahar Shelly, Sigal Liraz Zaltsman, Ofir Ben-Gal, et al. Potential neurotoxicity of titanium implants: Prospective, in-vivo and in-vitro study. Biomaterials. 2021, 276: 121039.
[3] Her-Hsiung Huang. Effect of fluoride and albumin concentration on the corrosion behavior of Ti–6Al–4V alloy. 2003, 24: 275-282.
[4] I. Milo?ev, T. Kosec, H.-H. Strehblow. XPS and EIS study of the passive film formed on orthopaedic Ti–6Al–7Nb alloy in Hank's physiological solution. Electrochimica Acta. 2008, 53: 3547-3558.
[5] Sertan Ozan, Jixing Lin, Weijie Weng, et al. Effect of thermomechanical treatment on the mechanical and microstructural evolution of a β-type Ti-40.7Zr–24.8Nb alloy. Bioactive Materials. 2019, 4: 303-311.
[6] Mitsuo Niinomi, Toshikazu Akahori, Shigeki Katsura, et al. Mechanical characteristics and microstructure of drawn wire of Ti–29Nb–13Ta–4.6Zr for biomedical applications. Materials Science and Engineering: C. 2007, 27: 154-161.
[7] Y.L. Hao, S.J. Li, S.Y. Sun, et al. Elastic deformation behaviour of Ti–24Nb–4Zr–7.9Sn for biomedical applications. Acta Biomaterialia. 2007, 3: 277-286.
[8] E. Alabort, Y.T. Tang, D. Barba, et al. Alloys-by-design: A low-modulus titanium alloy for additively manufactured biomedical implants. Acta Materialia. 2022, 229: 117749.
[9] Manmeet Kaur, K. Singh. Review on titanium and titanium based alloys as biomaterials for orthopaedic applications. Materials Science and Engineering: C. 2019, 102: 844-862.
[10] Hui Liu, Junjie Yang, Xueyang Zhao, et al. Microstructure, mechanical properties and corrosion behaviors of biomedical Ti-Zr-Mo-xMn alloys for dental application. Corrosion Science, 2019, 161: 108195.
[11] Shun Guo, Qingkun Meng, Xinqing Zhao, et al. Design and fabrication of a metastable β-type titanium alloy with ultralow elastic modulus and high strength. Scientific Reports. 2015, 5: 14688.
[12] Y.F. Zheng, B.B. Zhang , B.L. Wang, et al. Introduction of antibacterial function into biomedical TiNi shape memory alloy by the addition of element Ag. Acta Biomaterialia. 2011, 7: 2758-2767.
[13] Jie Liu , Fangbing Li, Cong Li, et al. Effect of Cu content on the antibacterial activity of titanium–copper sintered alloys. Materials Science and Engineering: C. 2014, 35: 392-400.
[14] L. Bolzoni, M. Alqattan, L. Peters, et al. Ternary Ti alloys functionalised with antibacterial activity. Scientific Reports. 2020, 10: 22201.
[15] Rui Liu, Yulong Tang, Lilan Zeng, et al. In vitro and in vivo studies of anti-bacterial copper-bearing titanium alloy for dental application. Dental Materials. 2018, 34: 1112-1126.
[16] Hai Wang, Wei Song, Mingfeng Liu, et al. Manufacture-friendly nanostructured metals stabilized by dual-phase honeycomb shell. Nature Communications. 2022, 13: 2034.
<來源：中國器審>