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医用钛合金的设计过程与研发应用

发布时间:2021-01-13

  1940年初期,钛合金的研发工作开始逐步进行,Bothe等人将应用于老鼠骨中,发现鼠骨与钛的相容性较好,没有不良反应发生。到了20世纪50~60年代,研发出了具有耐高温特性的钛合金,70年代初期又有一批耐蚀钛合金相继研制出,在80年代中期阶段,第2代无的a+β型钛合金(Ti-6Al-7Nb和Ti-5Al-2.5Fe)也被研制出,在临床中得到一定的应用,但该种合金中有毒元素Al和Fe会对人体带来一定的伤害,并且该合金的弹性模量还达不到真正股骨的标准,会产生“应力屏蔽”使种植体周围出现骨吸收的现象,引起种植体断裂或松动从而导致植入失败。到了1990年伊始,美国和日本开始致力于研究第三代新型的医用钛合金,其中以β型钛合金为主。
 
  钛合金虽具有良好的生物相容性,但其属于生物惰性材料。耐磨性较低,在磨损条件下容易产生大量的含有钛的磨屑,甚至可诱发炎症反应,导致植入体周围的骨组织溶解,大大降低了其使用寿命。对钛合金进行表面改性可以在保留钛合金原有的优良性能的基础上,使其生物相容性、耐磨性、耐蚀性等方面增强,改善其临床使用性能从而更好的发挥其使用价值。钛合金表面改性方法有很多种,包括氧化改性法、气相沉积法、离子注入法、等离子喷涂法及激光表面改性法等。
 
  在选择适应于医用材料时,对于不同部位,材料的弹性模量、韧性、强度、耐蚀性等相关指标成为考虑的必备因素。于振涛等人将不同金属元素进行实验比较,他们的研究结果显示如下:V,Co,Cd,Cr,Ni,Hg等元素毒性较强,Fe,Al元素次之。在生物体内脾、肝、肾等部位发现有V的离子析出物,其生物毒性较大;而Al元素也会以Al盐形式在体内蓄积从而导致人体的神经系统紊乱以及相应器官受损。Ta,Mo,Zr,Sn,Pd,Hf,Nb等元素生物相容性较好,可以作为合金的添加元素。Mo,Sn,Zr,TaHf,Nb,Pd的化学稳定性好,并且Ta,Nb,Zr,Mo能够使合金的弹性模量降低,因此可以有效改善合金的稳定性能。综上分析,理想的生物医用钛合金可以选择的合金系包括Ti-Mo-Nb、Ti-Zr-Nb、Ti-Zr-Mo-Nb和Ti-Zr-Sn-Mo-Nb等。
 
  在钛合金的设计过程中,d电子设计理论为合金设计的基本方法。基本思想是:通过对Ti及其各添加元素的电子轨道参数进行计算,得到相应的Md值和Bo值,进而对合金的弹性模量和抗拉强度等有关参数进行分析。实验表明,Md值较低有利于相稳定,Bo值较高有利于提高固溶的强化效果。在对介稳定β型钛合金进行设计时,应该控制Md值2.35~2.45以及Bo值为2.75~2.85之间。热稳定β型钛合金在进行塑性加工时会发生滑移变形,而介稳定β型钛合金则可发生滑移、马氏体或孪生变形。因而通过控制不同的合金显微组织结构可以使材料性能在较大范围内得以提升。

来源:搜钛网


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