医用钛合金的发展及研究现状

1、第i 0 卷第1 期 20 02 年3 月 材料科学与工艺 擒t e r i a iss c i e n c e t e c h n o l o g y v d l 0n n l m 盯2 0 0 2 医用钛合金的发展及研究现状 宁聪琴周玉 ( 哈尔滨工业大学材料科学与工程学院院，黑龙江哈尔滨1 5 0 0 0 摘要：纯钛及其合金以其与骨相近似的弹性模量、良好的牛物相容性及在生物环境下优良的抗腐蚀性等在临 床卜得到了越来越广泛的应用综述了医用钛台金的发展和研究现状，阐述了钛的生物相容性原理同时简单 评述了钛及其台金表面改性与钛基复合材料的研究现状分析表明：纯钛及其合金具有出色的生物相容性卡要

2、归功于表面附着的氧化层；b 型钛合金与a ，n + 1 3 型钛合金相比，具有较高的耐磨性，是一种很有前途的外科植 人用钛合金；寻求更为理想的表面改性工艺从而获得高质量的涂层，或将生物活性相添加进钛合金基体中制备 成复合材料是提高医用钛合金生物活性的两种有效途径 关建词：医用钛台金；发展和研究现状；生物相容性；表面改性；复合材料 中图分类号：r 3 1 8 0 8文献标识码：a文章编号：1 0 0 5 0 2 9 9 ( 2 0 0 2 ) 0 1 0 1 0 0 一0 7 d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hs t a t u so fb i o

3、 m e d i c a lt i t a n i u ma l l o y s n i n gc o n g - q i n ，z h o uy u 【s c h o o lo fm a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g h a r b i nh t s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ，t l a r b i n1 5 0 0 0 1 c h i n a ) a b s t r a c t ：d u et ot h e i rs i m i l a re l a s t i cm o

4、 d u l u si ob o h e , e x c d l e n tb i o c o m p a t i h i l i t ya n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c ei n b i o l o g i c a le n v i r o n m e n t , p u r et i t a n i u ma n di t sa l l o y sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nc l i n i c t h ed e v e l o p m e n ta n d r l - s e a r c hs t

5、a t u so ft h eb i o m e d i c a lt i t a n i u ma l l o y sw s l sr e v i e w e di nt h i sa r t i c l ew i t ht h ei l l u m i n a t i o no fb i c e o m - p a t i b i l i t ym e c h a n i s mo ft i t a n i u m i na d d i t i o n , t h er e s e a r c hs t a t u so ft h es u r f a c em o d i f i c a

6、 t i o no ft i t a n i u ma l l o y s a n dt h e i rc o m p o s i t e sw a sd i s c u s s e db r e f l y7 f h ee x c e l l e n tb i o c o m p a t i b i l i t yo fp u r et i t a n i u ma n di t sa l l o y so w e s t ot h eo x i d el a y e ro nt h e i rs u r f a c e s d u et oi t sb e t t e rw e a rr

7、e s i s t a n c et h a nt h a to f 曲+ pt i t a n i u m , b t i t a n i u m i sc o n s i d e r e da sap r o m i s i n gm a t e r i a la st h eo r t h o p e d i ci m p l a n t s , t oe n h a n c et h eb i o a c t i v i t yt w oe f f e c t i v e w a y sa r ee x p e c t e d o n ei st os e e kam o r ep e

8、 r f e c ts u r f a c em o d i f i c a t i o nt e c h n o l o g yf o ro b t a i n i n gh i g hq u a l i t y c o a t i n g s , a n dt h eo t h e ri st of a b r i c a t eac o m p o s i t eb yi n c o r p o r a t i n gb i o a c t i v ep h a s e si n t ot i t a n i u ma l l o y s k e yw o r d s ：b i o m

9、e d i c a lt i t a n i u m ；d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hs t a t u s ；b i o c o m p a t i b i l i t y ；s u r f a c em o d i f i c a t i o n ； c o m p o s i t e 在所有生物医用材料中，金属材料应用最 早，而且在目前临床中的应用也仍最为广泛金 属材料用作生物医学材料主要用来修复骨骼、关 节、牙齿以及血管等”1 最初用于临床的金属材料 是具有一定抗蚀性能的不锈钢，其中最为常用的 是3 1 6 l 奥氏体不锈钢以后又发展

10、了c o c r 合金， 此系列合金在生物环境中具有更好的抗腐蚀性， 收稿日期：2 0 0 1 - 0 1 4 ) 2 基金项目：国家杰出青年基金资助项目( 5 9 7 2 5 2 0 6 ) 作者简介：宁聪琴0 9 7 3 - ) 女博士 周t ( 1 9 5 5 一) ，男，博士教授，博士生导师 组织反应也较小然而近年来钛及其合金在临床 上的应用对c o c r 合金的主导地位提出了严峻的 挑战，已逐步取代了c o c r 合金及其不锈钢”】 4 0 年代初期，b o t h e 等发表了有关多种金属种 植体与骨之间反应的文章，从而将钛引入生物医 学领域”1 他们将几种金属，包括钛、不锈钢

11、和 c o c r 合金植入鼠的般骨中，结果发现钛与骨之 间无任何不良反应5 0 年代的进一步研究再次证 实了钛无任何不良组织反应”然而由于不锈钢 及c o c 哈金等在当时发展已经相当成熟，因此 万方数据 第1 期宁聪琴等：医用钛合金的发展及研究现状1 0 i 初期对钛应用的发展很慢“自从6 0 年代b r a h e - m a r k 将钛合金用作圳腔种植体后，钛作为外科植 入材料才得到了广泛发展”q 近年来钛及其合金 以其与骨相近似的弹性模量、良好的生物相容性 及在生物环境下优良的抗腐蚀性在临床上得到了 越来越广泛的应用 1 医用钛合金的发展 钛及其合金的发展可分为三个时代，第一个 时

12、代以纯钛和t i 一6 a l _ 4 v 为代表，第二个时代是 以t i 一5 m 一25 f e 和t i - 6 a i - 7 n b 为代表的新型d + 1 3 型合金，第三个时代则是一个开发与研制更好生 物相容性和更低弹性模量钛合金的时代，其中以 对p 型钛合金的研究最为广泛” 最初应用于临床的钛合金主要以纯钛和 t i 一6 a 1 - 4 v 为代表纯钛在生理环境中具有良好 的抗腐蚀性能，但其强度较低，耐磨损性能较差， 限制了它在承载较大部位的应用，目前主要用于 口腔修复及承载较小部分的骨替换，但目前尚未 出现强度问题4 ”1 相比之下，t i 一6 a 1 - 4 v 具有较

13、高 的强度和较好的加工性能，这种合金最初是为航 天应用设计的，7 0 年代后期被广泛用作外科修复 材料如髋关节，膝关节等同时，t i 一3 a i 一2 5 v 也 在临床上被用作股骨和胫骨替换材料”o 但这类 合金含有v 和a l 两种元素，v 被认为是对生物体有 毒的元素其在生物体内聚集在骨、肝、肾、脾等器 官，毒性效应与磷酸盐的生化代谢有关，通过影响 n a + 、k + 、c a 2 + 和h + 的a t p 酶发生作用，毒性超过n i 和c r b “1 ：a l 元素对生物体的危害是通过铝盐在 体内的蓄积而导致器官的损伤，另9 j , a 1 元素还可 引起骨软化、贫血和神经紊乱

14、等症状“8 而且 这类台金耐蚀性相对较差 为了避免v 元素的潜在毒性，8 0 年代中期两 种新型d + b 型医用钛合金t i 一5 a i - 2 5 f e 和 t i 一6 a 1 7 n b 在欧洲得到了发展”6 这类合金的 力学性能与t i - 6 m 一“相近在此类合金中虽然 以n b 和f e 取代r 毒性元素v 但仍含有a l 元素，另 外，与其他金属相比，虽然这两种合金及t i 一6 a 1 4 v 与骨的弹性模量最为接近，但仍为骨弹性模量的 4 1 0 倍( 见表1 ) 这种种植体与骨之间弹性模量的 不匹配，将使得载荷不能由种植体很好地传递到 相邻骨组织，出现“应力屏蔽”现

15、象，从而导致种 植体周围出现骨吸收，最终引起种植体松动或断 裂，造成种植失败“2 ”因此，开发研究生物相容 性更好、弹性模量更低的新型医用钛合金，以适应 临床对种植材料的需求，成为生物医学金属材料 的主要研究内容之一 近年来新型医用p 型钛合金的研制j e 是适应 以上要求而发展的9 0 年代初期，t i m o 系p 型钛 合金作为医用材料得到了广泛研究，如t i 一1 2 m o 一 6 z r 一2 f e 、t i - 1 5 m o 一5 z r - 3 a 及t i - 1 5 m o 一3 n b o 3 0 ( 2 1 s r x ) 等“82 3 1 ，我国西北有色院也自行研

16、制 了t i - 2 m o - 2 z r 一3 a 合金与t i 一6 a l 一4 v 相比，这 类合金具有更高的拉伸强度、断裂韧性，更好的耐 磨损性能以及更低的弹性模量这类合金的弹性 模量虽然大大降低了，但仍为骨弹性模量的2 - 7 倍( 见表1 ) ，而且含有大量的m o 元素，动物实验已 证明，m o 元素会产生严重的组织反应“o k a z a k i 等开发的t i 一1 5 z r - 4 n b 一2 t a 一0 2 p d 、t i 一1 5 s n 一4 n b 一 2 t a 一0 2 p d 合金虽然不含m o 元素，但p d 、s n 仍非完 全生物相容9 】由

17、此可见，开发研制更为理想的医 用钛合金并非一帆风顺9 0 年代初， s m i t h 孙康;吴人洁 髋关节置换用股骨假体材料的研究与应用 1998(06) 2.崔福斋;冯庆玲 生物材料学 1997 3.branemark p;hansson b;adell r osseointegrated implants in the treatment of edentulous jaw: experience from a 10year period 1977 4.branemark p;breine u;lindstrom j intraosseous anchorage of dental pr

18、ostheses: i experimental studies 1969 5.leventhal g s titanium, a metal for surgery 1951 6.de groot k;geesink r;klein c plasma sprayed coatings of hydroxyapatite外文期刊 1987 7.morgan h;wilson r;ellioti j preparation and characterization of monoclinic hydroxyapatite and its precipitated carbonate apatit

19、e intermediate外文期刊 2000(6) 8.cao w;hench l bioactive materials外文期刊 1996 9.meachim g;williams d f changes in nonosseous tissue adjacent to titanium implants外文期刊 1973 10.laing p;fergosun a;hodge e tissue reaction in rabbit muscle exposed to metallic implants外文期刊 1967(01) 11.kuroda d;niinomi m;morinaga

20、 m design and mechanical properties of new type titanium alloys for implant materials 1998 12.张玉梅;郭天文;李佐臣 钛及钛合金在口腔科应用的研究方向期刊论文-生物医学工程学杂志 2000(02) 13.宁聪琴;周玉;贾德昌 钛/羟基磷灰石生物复合材料的力学性能与生物学行为期刊论文-硅酸盐学报 2000(05) 14.ning c q;zhou y;wang h l apatite formation on the surface of a ti/ha composite in a simulated

21、 body fluid外文期刊 2000 15.kokubo t;kim h;miyaji f ceramic-metal and ceramic-ploymer composites prepared by a biomimetic process 1999 16.wen h b;liu q;wijn j preparation of bioactive microporous titanium surface by a new two-step chemical treatment外文期刊 1998 17.long m;rack h j titanium alloys in total j

22、oint replacement-a materials science perspective外文 期刊 1998(18) 18.bother t;beaton l e;davenport h a reaction of bone to multiple metallic implants 1940 19.kim h;takadama h;kokubo t formation of bioactive graded surface structure on ti-15mo-5zr-3al alloy by chemical treat外文期刊 2000(4) 20.nishiguchi s;

23、nakamura t;kobayashi m the effect of heat treatment on bone-bonding ability of alkali-treated titanium外文期刊 1999(5) 21.yan w q;nakamura t;kobayashi m bonding of chemically treated titanium implants to bone 1997 22.nie x;leyland a;matthews a deposition of layered bioceramic hydroxyapatite/tio2 coating

24、s on titanium alloys using a hybrid technique of micro-arc oxidation and electrophoresis外文期刊 2000(1/3) 23.jansen j;van waerden j;wolke j histologic eveluation of the osseous adaptation to titanium and hydroxyaptite-coated titanium implants 1991 24.常程康;丁传贤 氧化锆基磷灰石梯度涂层材料的研究 1998(01) 25.李旭东;翁杰;王培禄 离子束技

25、术沉积羟基磷灰石薄膜的结构及溶解性能 1998(04) 26.spivak j;ricci j;blumenthal n a new canine model to evaluate the biological response of intramedullary bone to implant materials and surfaces 1990 27.thomas k;kay j;cook s the effect of surface macrotexture and hydroxyapatite coating on the mechanical strengths and his

26、tologic profiles of titanium implant materials 1987 28.brown s;turner i;reiter h residual stress measurement in thermal sprayed hydroxyapatite coatings 1994 29.mcpherson r;gane n;bastow t structural characterization of plasma-sprayed hydroxyapatite coatings 1995 30.suzuki s;ohgaki m;ichiyanagi m pre

27、paration of needle-like hydroxyapatite外文期刊 1998 31.rostlund t;thomsen p;bjursten l difference in tissue response to nitrogen-ion-implanted titanium and c.p.titanium in the abdominal wall of the rat 1990 32.dearnaley g;goode p;minter f ion-implantation and ion assisted coating of metals 1986 33.perry

28、 a ion implantation of titanium alloys for biomaterial and other applications 1987 34.rostlund t;mckellop h;albrektsson b wear of ion implanted pure titanium against uhmwpe外文期刊 1989 35.陈安玉 口腔种植学 1991 36.程奎;翁文剑;葛曼珍 生物陶瓷涂层 1998(03) 37.bruneel n;helsen j in-vitro simulation of biocompatibility of titan

29、ium 1988 38.刘敬肖;扬大智;王强伟 表面改性在生物医用材料研究中的应用期刊论文-材料研究学报 2000(03) 39.fendorf m;gronsky r surface precipitation reaction on oxide surfaces 1992 40.li p;kangasniemi i;de groot k bonelike hydroxyapatite induction by a gel-derived titania on a titanium substrate外文期刊 1994 41.kokubo t bioactive glass-ceramics

30、: properties and applications 1991 42.hench l l bioceramic: from concept to clinic外文期刊 1991 43.parks g a the isoelectric point of solid oxides, solid hydroxides, and aqueous hydroxy complex system 1965 44.breme j titanium and its alloys biomaterials of preference 1989 45.van noort r titanium:theimpl

31、ant oftoday 1987 46.卡恩rw;哈森p;克雷默e j;威廉姆斯d f ,朱鹤孙 材料科学与技术丛书,v.14,医用与口腔材料 1999 47.tengvall p;lundstrom i physico-chemical considerations of titanium as a biomaterial 1992 48.khan m a;williams r l;williams d f conjoint corrosion and wear in titanium alloys外文期刊 1999 49.李佐臣;李常亮;裘松波 外科植入tamz合金生物学性能评价期刊论文-

32、稀有金属材料与工程 1998(01) 50.steinemann s;mausli p;szmukler-moncler s beta-titanium alloy for surgical implants 1993 51.wang k;gustavson l;j dumbleton the characterization of ti-12mo-6zr-2fe-a new alloy developed for surgical implants 1993 52.sumner d;gatante j determinants of stress shielding: design vers

33、us materials versus interface 1992 53.huiskes r;weinans h;riebergen b the relationship between stress shielding and bone resorption around total hip stems and the effects of flexible materials 1992 54.cheal e;spector m;w hayes role of loads and prostheses material properties on the mechanics of the

34、proximal femur after total hip arthroplasty外文期刊 1992 55.semlitsch m;weber h;streicher r joint replacement components made of hot-forged and surfacetreated ti-6al-7nb alloy 1992(11) 56.semlitsch m;staub f;webber h titanium-aluminumniobium alloy, development for biocompatible, high strength surgical i

35、mplants外文期刊 1985 57.zwicker r;buehler k;mueller r mechanical properties and tissue reactions of a titanium alloy for implant material 1980 58.buly r l titanium wear debris in failed cemented total hip arthroplasty 1992(03) 59.niinomi m;kuroda d;fukunaga k corrosion wear fracture of new type biomedic

36、al titanium alloys 外文期刊 1999(2) 60.wang k the use of titanium for medical application in the usa外文期刊 1996 61.顾汉卿;徐国风 生物医学材料学 1993 本文读者也读过(1条)本文读者也读过(1条) 1. 吴义舟.郭爱红.wu yi-zhou.guo ai-hong 生物医用钛合金发展和研究现状期刊论文-材料开发与应用 2010,25(2) 引证文献(60条)引证文献(60条) 1.杨永建.马秀梅.孙威 生物医用型ti-25.6nb-19.4ta合金设计与微观结构的研究期刊论文-稀有金属

37、2010(2) 2.谢华生.娄延春.刘时兵.赵军.苏贵桥.薛松海 固溶态下ta、zr对钛合金性能及组织的影响期刊论文-特种铸造 及有色合金 2010(2) 3.王庆相.梁淑华.杨怡.范志康 w粉粒度对ti-20%w合金组织和力学性能的影响期刊论文-粉末冶金技术 2010(1) 4.瞿少东 经皮空心加压螺钉内固定治疗股骨颈骨折期刊论文-中国医药导刊 2010(4) 5.牛丽媛 医用多孔镁基合金材料制备技术的研究进展期刊论文-热加工工艺 2010(4) 6.吴琴 纯钛表面微弧氧化羟基磷灰石膜的制备期刊论文-热处理 2010(4) 7.朱燕云 生物活性种植牙的研究进展与探讨期刊论文-中国社区医师（医

38、学专业） 2010(35) 8.于振涛.余森.张明华.韩建业.麻西群 外科植入物用新型医用钛合金材料设计、开发与应用现状及进展期刊论文 -中国材料进展 2010(12) 9.刘兴江.王金刚.吴雪 深冷处理对ni-ti合金形状记忆效应的影响期刊论文-金属热处理 2010(4) 10.张战英.王卫民.曹继敏.肖松涛 冷加工对ti13nb13zr合金组织与性能的影响期刊论文-热加工工艺 2009(22) 11.王艳玲.惠松骁.叶文君.米绪军 新型医用钛合金ti-39nb-6zr显微组织和力学性能的研究期刊论文-热加工工 艺 2009(14) 12.林新志.马旭梁 b添加对tic/ti6al4v复合材

39、料组织和耐磨性能的影响期刊论文-材料工程 2009(8) 13.袁志山.白鸽玲.冯昭伟.王江波.缪卫东.李崇剑 生物医用无ni超弹性钛形状记忆合金研究进展期刊论文-材 料导报 2009(7) 14.赵凤娟.宋英.王福平 医用钛合金及其表面活化的研究现状期刊论文-金属热处理 2009(2) 15.刘杨.赵康.罗德福.汤玉斐 羟基磷灰石/二氧化钛生物复合涂层的制备及性能研究期刊论文-西安理工大学学 报 2008(2) 16.刘福.吴树建.王立强 新型医用钛合金的特点及发展现状期刊论文-热加工工艺 2008(12) 17.刘兰云 生物医用金属材料的研究进展期刊论文-浙江工贸职业技术学院学报 2008

40、(1) 18.汶建宏.杨冠军.葛鹏.毛小南.赵映辉 钛合金的研究进展期刊论文-钛工业进展 2008(1) 19.付文杰.赵西成.杨西荣.兰新哲 室温ecap和冷轧复合变形工业纯钛的组织和性能期刊论文-材料研究学报 2008(3) 20.张菊梅.王志虎.蒋百灵 基于表面生物学改性的钛合金微弧氧化陶瓷层研究期刊论文-铸造技术 2007(8) 21.吴玉博.郝俊杰.郭志猛 自蔓延高温合成钴-钛系多孔合金期刊论文-稀有金属快报 2007(7) 22.谭训香.谭远超.姜红江.苏金平.韩海霞 成人成骨细胞与多孔钛联合培养观察期刊论文-生物骨科材料与临床 研究 2007(4) 23.宋斌 经皮加压螺钉内固定

41、治疗股骨颈骨折的疗效观察期刊论文-中医正骨 2007(1) 24.陈丹 医用纯钛箔植入材料的蚀刻工艺研究学位论文硕士 2007 25.黄伟九.李兆峰 医用钛合金表面改性研究进展期刊论文-材料导报 2006(z2) 26.李兆峰.黄伟九.刘明 人体用金属植入材料的研究进展期刊论文-重庆工学院学报 2006(5) 27.寇生中.程艳玲.郭燕 磁控溅射法在生物材料表面制备羟基磷灰石涂层的研究现状期刊论文-材料导报 2006(6) 28.查树银.崔振铎.朱胜利.杨贤金 新型医用-ti13nb13zr合金组织期刊论文-金属热处理 2006(2) 29.袁学敏.崔春翔.赵中雷.戚玉敏 ti-15mo-3nb合金表面活化研究期刊论文-河北工业大学学报 2006(2) 30.要琦 可注射原位复合胶原/磷酸钙生物活性骨修复材料研究学位论文硕士 2006 31.孟鑫 复合氧化法制备钛基金属表面生物活性膜的研究学位论文硕士 2006 32.沈剑 多孔生物镁的制备、性能及其表面改性的研究学位论文硕士 2006