醫用鈦合金的發展曆（lì）史
1940年初期，鈦合金的（de）研發工作開始逐步進行，Bothe等人將鈦應用於老鼠骨中，發現鼠骨（gǔ）與鈦的相容性較好，沒有不良反（fǎn）應發生。到了20世紀50～60年代，研發出了具有耐（nài）高溫特性的鈦合金，70年代初期又有一批（pī）耐（nài）蝕鈦合金相繼研製出，在80年代中期階段，第2代無釩的a+β型鈦合（hé）金(Ti-6Al-7Nb和Ti-5Al-2.5Fe)也被研製出，在（zài）臨床中得到一定的應用，但該種合金中有毒元素Al和Fe會對人體帶來一定（dìng）的傷害，並且該合金的彈性（xìng）模量還達不（bú）到真正股骨（gǔ）的標準，會產生“應力屏（píng）蔽”使種植（zhí）體周圍出現（xiàn）骨吸收的現象，引起種植體斷裂或鬆動從（cóng）而導致植入失敗。到了1990年伊始，美國和日本開始（shǐ）致（zhì）力於研究第三代新型的醫用鈦（tài）合金，其中以β型鈦合金為主。


醫用鈦合（hé）金作為一（yī）種新（xīn）型合金，同時也是一種載體材料，被廣（guǎng）泛應用於肢體植入、替代性功能材料、牙科、醫療器械等相（xiàng）關領域。鈦及鈦合金（jīn）有：耐蝕性（xìng）好、比強度高、彈性模量較低、耐疲勞、生（shēng）物相（xiàng）容性好等特點。其中生物相容性好這一特點使（shǐ）其（qí）與其他金屬（shǔ）相比（bǐ）具（jù）有獨特的優勢，因此在醫學領（lǐng）域獲得廣（guǎng）泛青睞，但由於其耐磨性及工藝（yì）性能不（bú）高，致力於對其進一步（bù）的改進工作也在不斷（duàn）進行。
β鈦合金的研發
合金的製備原理與設計（jì）
(1)鈦合金的選擇
在選擇適（shì）應於醫用材料時，對於不同部位（wèi），材料的（de）彈性模量、韌性、強（qiáng）度、耐蝕性等相關指（zhǐ）標成為考慮的必備因素。於振濤等人將不同金屬元素進（jìn）行實驗比較，他們的研究結果顯示如下：V，Co，Cd，Cr，Ni，Hg等元素毒性較強（qiáng），Fe，Al元素次之。在生物體內脾（pí）、肝、腎等部位發（fā）現有V的離子析出物，其生物毒性較大；而Al元素也會以Al鹽形式在體內蓄積從而（ér）導致人體的神經係統紊亂以及相應（yīng）器官受損。Ta，Mo，Zr，Sn，Pd，Hf，Nb等元素生物相容性較好，可以作為合金（jīn）的（de）添加元素。Mo，Sn，Zr，TaHf，Nb，Pd的化學穩定（dìng）性好，並且Ta，Nb，Zr，Mo能（néng）夠使合金（jīn）的彈性模量降低，因此可以有效改善合金的穩定性（xìng）能。綜上分析，理想的生物醫用鈦合金可以選擇的合（hé）金係包括（kuò）Ti-Mo-Nb、Ti-Zr-Nb、Ti-Zr-Mo-Nb和（hé）Ti-Zr-Sn-Mo-Nb等。
(2)鈦合（hé）金的設計
在合金的設計（jì）過程中，d電子設計理論為合金設計的基本方法。基本思想是：通過對Ti及其各添（tiān）加元素的電（diàn）子軌（guǐ）道（dào）參數進行計算（suàn），得到相應的Md值和Bo值，進而對（duì）合金的彈性模（mó）量和（hé）抗拉強（qiáng）度等有關參數進行（háng）分析。實（shí）驗表明，Md值較低（dī）有利於相穩定，Bo值較（jiào）高有利於提高（gāo）固（gù）溶的強化效果（guǒ）。在對介（jiè）穩定β型鈦（tài）合金進行設計時（shí），應該控製Md值2.35~2.45以及Bo值（zhí）為2.75~2.85之間。熱穩定β型鈦合金在進行塑性加（jiā）工時會發生滑移變形，而介穩定β型鈦合金則可發生滑移、馬氏體或（huò）孿生變形(如圖1)所示。因而通過控製不同的合金顯微組織結構可以使材料性能在較大（dà）範圍內得以提（tí）升。
4.鈦合金（jīn）的發展現狀
(1)低彈性模量的（de）β鈦（tài）合金（jīn）
美國（guó）研發了多種低模量的β鈦合金，Ti-13Mo-7Zr-3Fe和Ti-35Nb-7Zr-5Ta可作為（wéi）替代髖關節（jiē）的理（lǐ）想合金，其中（zhōng）Ti-13Mo-7Zr-3Fe合金具有更接近於人體骨骼標準（zhǔn）的（de）低彈性（xìng）模量，可以減少“應力屏蔽”效應，從而可以有效的降低植（zhí）入對骨頭造成的損（sǔn）害。俄（é）羅斯也研發了一種新的醫（yī）用鈦合金（jīn）Ti51-Zr18Nb，其彈性彈性（xìng）模量僅為47Gpa，並（bìng）且其可逆變形（xíng）量也高達2.83%。日本對低（dī）彈性模（mó）量的β鈦合金進行進一（yī）步改進，TNTZ合金（jīn）在高壓扭轉下得到較大的塑（sù）性（xìng）變（biàn）形，並且該合金的抗拉強度也得到大（dà）幅度（dù）的（de）提升。
(2)形狀記憶合金（jīn）
形狀記憶合金具有變形恢複功能，該功能源於熱彈性馬氏體相變。記憶合金（jīn）中馬氏體會隨著溫度的改變而發（fā）生（shēng）相應的變（biàn）化，在高溫時呈現奧氏體相，低溫時呈現馬氏體相。其形狀記憶效應還包括：單程記憶效應、雙程（chéng）記憶效應以及（jí）全程記憶效（xiào）應。除（chú）此之外，形狀記憶合（hé）金還具有彎曲量大，塑性高的特點。因此，在醫療方麵，可以用（yòng）來製備：記憶NiTi牙弓絲、形狀記憶合金血液過濾器（qì）以及套管鏈接的鋁合金假（jiǎ）肢。
(3)多孔（kǒng）鈦合金
“應力屏蔽”作用所造成的（de）植入體鬆（sōng）動和（hé）斷裂使鈦及其合金的應（yīng）用受到一定（dìng）的（de）限製，因此（cǐ），為（wéi）了解決這一問題，多孔鈦合（hé）金的出現使植入體的性能（néng）得以改善。通過對孔隙率（lǜ）的大小進行調整，可以使合金的（de）彈性模（mó）量、強度、密度能夠與被（bèi）替換的組織生物相容性增強，從而（ér）更好的進行匹配；此外（wài），多孔的結構以及粗糙的表（biǎo）麵能夠使細胞黏附（fù），有利於進行（háng）增殖（zhí）和分化；孔洞可以成為使體內的營（yíng）養物質和體液運輸（shū）的通道，有利於組織細胞進行再增長，加快愈合進程。因此，多孔鈦合金的優點在醫學上受到廣泛關注（zhù）。
(4)鈦合金（jīn）的表麵改（gǎi）性
鈦合金雖（suī）具有良好的（de）生（shēng）物（wù）相（xiàng）容性，但（dàn）其屬於生物惰性材料。耐磨性較低，在（zài）磨損條件下容易產生大量的含有鈦的磨屑，甚至可誘發炎症反應,導致植入體周圍的骨（gǔ）組（zǔ）織（zhī）溶解，大大降低了其使用壽命。對鈦合金進行表麵改性可以在保（bǎo）留（liú）鈦合金（jīn）原有的優良性能（néng）的基礎上（shàng），使其生物相容性、耐磨性、耐蝕（shí）性等方麵增強，改善（shàn）其臨床（chuáng）使用性能從而更好的發揮（huī）其（qí）使用價（jià）值。鈦合金表麵改性方法有很多種，包括氧化改性法、氣相沉積法、離子注入法、等離子噴塗法及激光表麵改性法等。
5.醫用（yòng）鈦合金的應用
(1)牙科
鈦與人體結締的組織、骨骼上皮組（zǔ）織都具有（yǒu）良好的親和性，優良的力學性能也體現其在（zài）醫用合金中的（de）優勢。且密度（dù）小、質量輕、耐腐蝕性好、戴用舒適，因此，鈦作為義齒(種植牙)收（shōu）到廣泛青睞。此外，鈦義齒通過表麵處理之後，美觀（guān）性（xìng）能增加，能夠滿足大（dà）眾（zhòng）對美的需求，給（gěi）人以視覺的享受。
(2)肢體（tǐ）矯正
據有關文獻報道，每年（nián）世界（jiè）上大約有1 億病人患有膝關節和臂（bì）關節等有關炎症，進行替換手術治療勢在必行，因此具有優良替換功能（néng）的鈦合金為此帶來福音。與陶瓷、不鏽鋼等材（cái）料（liào）相比，鈦合金的彈性模（mó）量（liàng）更接近於人體骨骼，在模量大小上更具有優勢。因此鈦合金在踝關（guān）節（jiē）、肘關節等矯正中得以廣泛應用。此外，多孔鈦合金材料能夠使（shǐ）假體具有生物活性，有助於股骨（gǔ）頭的愈合；鈦合金表麵的生物相容性較好，能誘導骨細胞生長，因（yīn）此被臨床醫生、骨（gǔ）科領域（yù）專家等所（suǒ）推崇。
(3)植入修複與替代
植入修複物，鈦及鈦（tài）合金作為植入修複物的優點主要有：①強度高（gāo），化學穩定性及生物相容性好；②無毒（dú），對人（rén）體不會造成傷害；③彈性（xìng）模量低，與（yǔ）人體骨骼更匹配；④記（jì）憶合金具有的彈性能力和形狀恢複功能。綜（zōng）上，鈦在顱骨修複方麵的應（yīng）用主要體現在（zài）：利用鈦網可以修（xiū）複缺損的顱骨。在人體心（xīn）血管方麵的應用體現在：製備人造心髒瓣膜、血液過（guò）濾器（qì）、心髒起搏器和人工心髒泵等。