生物医用钛合金材料发展现状及趋势
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材料导报
２０１６ 年 １１ 月 第 ３０ 卷 专 辑 ２８
生物医用钛合金材料发展现状及趋势
任 军 帅 ，张 英 明 ，谭 江 ，隋 永 哲 ，王 娟 ，张 小 荣
（西北有色金属研究院，西安 ７１００１６）
摘要 钛及钛合金材料因其优良的综合性能，在生物医用材料中占有越来越重要的地位。 综 述 了 生 物 医 用 钛 及钛合金材料发展的３个历史阶段，重点评述了低弹性模 量 β型 钛 合 金 的 研 发 现 状，简 单 介 绍 了 相 关 钛 合 金 材 料 制 品 在 医 学 临 床 中 的 实 际 应 用 ，并 分 析 了 近 年 来 表 面 改 性 、多 孔 材 料 、复 合 材 料 等 生 物 医 用 钛 合 金 材 料 发 展 的 新 趋 势 。
表 １ 常 用 生 物 金 属 材 料 性 能 比 较
Ｔａｂｌｅ １ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｕｓｅｄ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｍｅｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ
材料性能
不锈钢 （ＳＵＳ３１６Ｌ）
钴基合金 （Ｃｏ－Ｃｒ）
钛合金 （Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ）
强度
ຫໍສະໝຸດ Baidu
中
良
良
比强度
中
良
优
弹性模量
关键词 钛及钛合金 生物医用材料 表面改性 多孔材料 复合材料 中 图 分 类 号 ：ＴＧ１４６．２＋３ 文 献 标 识 码 ：Ａ
Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ Ｔｒｅｎｄ ｏｆ Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ａｌｌｏｙｓ ｆｏｒ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
ＲＥＮ Ｊｕｎｓｈｕａｉ，ＺＨＡＮＧ Ｙｉｎｇｍｉｎｇ，ＴＡＮ Ｊｉａｎｇ，ＳＵＩ Ｙｏｎｇｚｈｅ， ＷＡＮＧ Ｊｕａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏｒｏｎｇ
（Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏｒ Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｘｉ’ａｎ ７１００１６）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅｉｒ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙｓ ａｒｅ ｆｉｎｄｉｎｇ ｅｖｅｒ－ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ａｐｐｌｉ－ ｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｏｆ ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙｓ ｃａｎ ｂｅ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｒｅｅ ｍａｉｎ ｓｔａｇｅｓ．Ｔｈｉｓ ｐａ－ ｐｅｒ ｆｏｃｕｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｃｅｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｏｆ ｌｏｗ ｍｏｄｕｌｕｓβ－ｔｙｐｅ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙｓ，ａｎｄ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｉｔａ－ ｎｉｕｍ ａｌｌｏｙｓ ｉｎ ｃｌｉｎｉｃａｌ ｐｒａｃｔｉｃｅ．Ｏｖｅｒａｌｌ，ｅｆｆｏｒｔｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｍａｄｅ ｔｏ ｒｅｖｅａｌ ｔｈｅ ｌａｔｅｓｔ ｓｃｅｎａｒｉｏ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ， ｐｏｒｏｕｓ Ｔｉ－ｂａｓｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ，ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌ，ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｐｏｒｏｕｓ Ｔｉ－ｂａｓｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌ，ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ
０ 引 言
生物医用材料（又 称 生 物 材 料 或 生 物 医 学 材 料 ）是 指 可 以植入生物体或 与 生 物 体 相 结 合，以 达 到 诊 断、治 疗 （替 换、 修复等）生物体 中 组 织、器 官 或 增 进 其 功 能 的 一 类 材 料。 随 着社会经济的发 展，人 们 消 费 水 平 持 续 上 升，对 生 活 质 量 的 要求不断提高，同时伴随我国人口老龄化进程的 加 速 以 及 现 代社会高能量损伤事故的增加，为生 物医 用 材料 及 制 品 带 来 了巨大的市场发展空间。生物医用材料可分为生物金属与 合金材料、生物无 机 非 金 属 材 料、生 物 高 分 子 材 料 和 生 物 复 合材料。其中，生物金属与合金材料由于具 有 较 高 的 强 度 和 韧性、优良的抗疲 劳 和 耐 磨 性、良 好 的 生 物 力 学 性 能 和 抗 生 理腐蚀性，以及优 异 的 加 工 性 能 等 特 点，是 人 类 生 物 医 学 发 展史上最早用于创伤修复和矫形治疗的传统材 料，在 目 前 以 及今后相当长时间内也仍会占据相当大的市场份额。生物 金属与合金材料主要包括不锈钢、钴 基 合 金、钛 合 金 三 大 类。 其中，医 用 不 锈 钢 （如 ３１６Ｌ 奥 氏 体 不 锈 钢 ）和 钴 基 合 金 （如 Ｃｏ－Ｃｒ合 金）较 早 应 用 于 临 床 植 入，但 它 们 普 遍 含 有 Ｎｉ、Ｃｏ、 Ｃｒ等 元 素 ，存 在 细 胞 毒 副 作 用 、严 重 致 敏 性 等 生 物 学 问 题 ，而 且其弹性模量较 高、在 体 液 环 境 中 耐 蚀 性 较 差，在 临 床 上 的 应用呈下降趋势（见 表 １）。钛 及 钛 合 金 由 于 其 比 强 度 高、弹 性模量低、耐腐蚀性好等特点，特别 是 生物 相 容 性 优 异，近 年 来在临床生物植入材料方面获得了快速发展和应用。
中
中
良
耐蚀性
差
中
良
耐磨性
中
良
差
耐疲劳性
中
中
良
生物相容性
差
中
良
加工性能
优
中
中
１ 生 物 医 用 钛 合 金 的 优 点
钛合金用于生物 医 用 材 料 主 要 有 以 下 几 个 优 点：（１）密 度 小 。 一 般 钛 及 钛 合 金 的 密 度 约 为 不 锈 钢 的 ５６％ ，大 幅 减 轻 了植入物对人体的负荷量。（２）力学 性 能 优 异。人 工 植 入 物 需在人体中长期 承 受 体 重 及 运 动 时 的 弯 曲、扭 转、挤 压 等 作 用，必须具有一定的强度和韧性。钛及钛 合 金 最 早 应 用 于 航 空航天领域，其强度高、韧性好，完全可以 满 足 作 为 人 体 植 入 物的力学要求。（３）抗 腐 蚀 性 好。 在 氧 化 性 和 中 性 溶 液 中， 钛表面的氧化膜稳定存在，使其具有良 好 的 耐 腐 蚀 性 能。在
材料导报
２０１６ 年 １１ 月 第 ３０ 卷 专 辑 ２８
生物医用钛合金材料发展现状及趋势
任 军 帅 ，张 英 明 ，谭 江 ，隋 永 哲 ，王 娟 ，张 小 荣
（西北有色金属研究院，西安 ７１００１６）
摘要 钛及钛合金材料因其优良的综合性能，在生物医用材料中占有越来越重要的地位。 综 述 了 生 物 医 用 钛 及钛合金材料发展的３个历史阶段，重点评述了低弹性模 量 β型 钛 合 金 的 研 发 现 状，简 单 介 绍 了 相 关 钛 合 金 材 料 制 品 在 医 学 临 床 中 的 实 际 应 用 ，并 分 析 了 近 年 来 表 面 改 性 、多 孔 材 料 、复 合 材 料 等 生 物 医 用 钛 合 金 材 料 发 展 的 新 趋 势 。
表 １ 常 用 生 物 金 属 材 料 性 能 比 较
Ｔａｂｌｅ １ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｕｓｅｄ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｍｅｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ
材料性能
不锈钢 （ＳＵＳ３１６Ｌ）
钴基合金 （Ｃｏ－Ｃｒ）
钛合金 （Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ）
强度
ຫໍສະໝຸດ Baidu
中
良
良
比强度
中
良
优
弹性模量
关键词 钛及钛合金 生物医用材料 表面改性 多孔材料 复合材料 中 图 分 类 号 ：ＴＧ１４６．２＋３ 文 献 标 识 码 ：Ａ
Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ Ｔｒｅｎｄ ｏｆ Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ａｌｌｏｙｓ ｆｏｒ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
ＲＥＮ Ｊｕｎｓｈｕａｉ，ＺＨＡＮＧ Ｙｉｎｇｍｉｎｇ，ＴＡＮ Ｊｉａｎｇ，ＳＵＩ Ｙｏｎｇｚｈｅ， ＷＡＮＧ Ｊｕａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏｒｏｎｇ
（Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏｒ Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｘｉ’ａｎ ７１００１６）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅｉｒ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙｓ ａｒｅ ｆｉｎｄｉｎｇ ｅｖｅｒ－ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ａｐｐｌｉ－ ｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｏｆ ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙｓ ｃａｎ ｂｅ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｒｅｅ ｍａｉｎ ｓｔａｇｅｓ．Ｔｈｉｓ ｐａ－ ｐｅｒ ｆｏｃｕｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｃｅｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｏｆ ｌｏｗ ｍｏｄｕｌｕｓβ－ｔｙｐｅ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙｓ，ａｎｄ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｉｔａ－ ｎｉｕｍ ａｌｌｏｙｓ ｉｎ ｃｌｉｎｉｃａｌ ｐｒａｃｔｉｃｅ．Ｏｖｅｒａｌｌ，ｅｆｆｏｒｔｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｍａｄｅ ｔｏ ｒｅｖｅａｌ ｔｈｅ ｌａｔｅｓｔ ｓｃｅｎａｒｉｏ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ， ｐｏｒｏｕｓ Ｔｉ－ｂａｓｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ，ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌ，ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｐｏｒｏｕｓ Ｔｉ－ｂａｓｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌ，ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ
０ 引 言
生物医用材料（又 称 生 物 材 料 或 生 物 医 学 材 料 ）是 指 可 以植入生物体或 与 生 物 体 相 结 合，以 达 到 诊 断、治 疗 （替 换、 修复等）生物体 中 组 织、器 官 或 增 进 其 功 能 的 一 类 材 料。 随 着社会经济的发 展，人 们 消 费 水 平 持 续 上 升，对 生 活 质 量 的 要求不断提高，同时伴随我国人口老龄化进程的 加 速 以 及 现 代社会高能量损伤事故的增加，为生 物医 用 材料 及 制 品 带 来 了巨大的市场发展空间。生物医用材料可分为生物金属与 合金材料、生物无 机 非 金 属 材 料、生 物 高 分 子 材 料 和 生 物 复 合材料。其中，生物金属与合金材料由于具 有 较 高 的 强 度 和 韧性、优良的抗疲 劳 和 耐 磨 性、良 好 的 生 物 力 学 性 能 和 抗 生 理腐蚀性，以及优 异 的 加 工 性 能 等 特 点，是 人 类 生 物 医 学 发 展史上最早用于创伤修复和矫形治疗的传统材 料，在 目 前 以 及今后相当长时间内也仍会占据相当大的市场份额。生物 金属与合金材料主要包括不锈钢、钴 基 合 金、钛 合 金 三 大 类。 其中，医 用 不 锈 钢 （如 ３１６Ｌ 奥 氏 体 不 锈 钢 ）和 钴 基 合 金 （如 Ｃｏ－Ｃｒ合 金）较 早 应 用 于 临 床 植 入，但 它 们 普 遍 含 有 Ｎｉ、Ｃｏ、 Ｃｒ等 元 素 ，存 在 细 胞 毒 副 作 用 、严 重 致 敏 性 等 生 物 学 问 题 ，而 且其弹性模量较 高、在 体 液 环 境 中 耐 蚀 性 较 差，在 临 床 上 的 应用呈下降趋势（见 表 １）。钛 及 钛 合 金 由 于 其 比 强 度 高、弹 性模量低、耐腐蚀性好等特点，特别 是 生物 相 容 性 优 异，近 年 来在临床生物植入材料方面获得了快速发展和应用。
中
中
良
耐蚀性
差
中
良
耐磨性
中
良
差
耐疲劳性
中
中
良
生物相容性
差
中
良
加工性能
优
中
中
１ 生 物 医 用 钛 合 金 的 优 点
钛合金用于生物 医 用 材 料 主 要 有 以 下 几 个 优 点：（１）密 度 小 。 一 般 钛 及 钛 合 金 的 密 度 约 为 不 锈 钢 的 ５６％ ，大 幅 减 轻 了植入物对人体的负荷量。（２）力学 性 能 优 异。人 工 植 入 物 需在人体中长期 承 受 体 重 及 运 动 时 的 弯 曲、扭 转、挤 压 等 作 用，必须具有一定的强度和韧性。钛及钛 合 金 最 早 应 用 于 航 空航天领域，其强度高、韧性好，完全可以 满 足 作 为 人 体 植 入 物的力学要求。（３）抗 腐 蚀 性 好。 在 氧 化 性 和 中 性 溶 液 中， 钛表面的氧化膜稳定存在，使其具有良 好 的 耐 腐 蚀 性 能。在