生物医用材料Ti6Al4V的研究进展

白 玲， 丁紫阳

(郑州职业技术学院 材料工程系， 河南 郑州 450121)

生物医用材料作为现代社会临床治疗的常用材料之一，对人类的生命健康十分重要[1-2]。近年来，生物医用钛合金的需求量快速增长。生物医用材料钛合金具有优异的力学性能和良好的生物相容性，尤其作为植入材料，在国内外临床上得到了广泛应用。钛基生物金属材料通常被认为是骨科植入物的最佳选择。目前，使用最多的钛植入生物医用材料是纯钛和钛合金 Ti6Al4V，它们是临床治疗过程中与人体皮质弹性模量最匹配的医用金属，是当今骨科手术、口腔治疗等领域优先选择的材料[3-4]。特别是钛合金 Ti6Al4V，不仅加工性好，而且其力学性能、生物活性等更接近临床需要，十分适用于制作成人工骨、接骨板、牙种植体等。据统计，Ti6Al4V是当前临床最常见的钛基金属植入材料[2]，其份额大约为所有钛合金制品的 80%。然而，Ti6Al4V合金在实际临床应用中还存在一些问题，在一定程度制约了Ti6Al4V在生物医用领域的应用。本论文主要介绍了生物医用材料——钛合金Ti6Al4V的研究现状以及临床应用中存在的主要问题，并对钛合金Ti6Al4V存在的问题提出了解决途径。

1 生物医用材料简介

生物医用材料，是新材料的重要组成部分，主要是指具有生物体功能的材料，具体来说，就是指能够用于生物体内，并且在使用过程中既可以实现生物体内受损细胞、组织、器官等的替换、修复或诱导再生等，又不会引起生物体的排斥和不良反应的材料。

生物医用材料的研究不仅要保证材料自身的理化性能符合要求，而且还要考虑材料表面的生物结构、生物功能符合生物体的内部环境要求，此外，还需要保证临床使用时不对人体产生危害。目前，生物医用材料的研究方向很多，主要包括钛及钛合金、高抗凝血材料、生物粘合剂、血液净化材料等[5]。

2 生物医用钛合金Ti6Al4V研究现状

关于生物医用材料Ti6Al4V的研究，目前国内外主要以提高Ti6Al4V表面的生物活性、生物相容性、耐磨性等功能特性为目标，大部分通过在Ti6Al4V表面制备功能性薄膜和涂层实现。例如，在Ti6Al4V表面制备羟基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)涂层、钛酸钙(CaTiO3)涂层、TiO2薄膜、TiN层、石墨烯涂层、类金刚石薄膜等。

利用涂层制备技术在钛合金Ti6Al4V表面形成生物活性HA涂层[6-7]，一方面能够有效改善Ti6Al4V植入物的表面活性，另一方面也能增加其生物相容性。临床实践表明，HA涂层对骨组织成长有一定的促进作用，但是HA涂层与Ti6Al4V基体结合强度不高，导致涂层易提前剥落，引起体内炎性反应，影响植入物的使用寿命。

Stanishevsky[8]等将不同比例的硝酸钙、异丙醇钛混合，采用Sol-gol 法在Ti6Al4V表面制备出厚度为3 μm 的CaTiO3涂层，经测试涂层与Ti6Al4V基体的机械结合强度可增加至70 MPa，提升了Ti6Al4V 合金的性能，但是该过程周期较长、原料成本高。

Oliveira[9]等以CaCl2溶液为电解液，采用电火花加工技术在Ti6Al4V表面制备CaTiO3涂层，通过工艺参数调整，该涂层厚度可达200 μm，厚度、硬度等指标符合材料的医用要求，但是涂层制备过程中容易产生气泡孔洞和裂纹，涂层表面的一致性难以保证，影响了涂层的制备质量。

在钛合金表面涂覆一层TiO2薄膜能有效提高钛合金材料的生物活性，但容易出现薄膜厚度不均匀、结合强度不高的问题。李克文[10]借助石墨烯导电膜，采用膜转移法在Ti6Al4V表面制备了石墨烯涂层。结果发现，石墨烯涂层与基体结合力良好，亲水性和表面粗糙度增加，生物活性及生物相容性提高，但是力学性能没有改变。在钛合金Ti6Al4V表面制备石墨烯涂层，近年来逐渐得到关注并且应用逐渐增多，但是其涂层的质量和效果受石墨烯制备工艺的影响很大，某些制备工艺会导致细胞毒性的产生。例如采用化学气相沉积法制备的石墨烯可能显著加快神经细胞的凋亡速度，并且会增大神经细胞中出现活性氧的概率。

吾凡别克·巴合提[11]等采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD) 技术，在不同粗糙度Ti6Al4V表面制备类金刚石薄膜，并对膜-基结合力、腐蚀性、生物相容性进行了系统的研究发现，类金刚石薄膜与基体结合力最高可达45N，耐腐蚀性、生物相容性有所提升，在Ti6Al4V表面制备类金刚石薄膜是一种有效的表面改性方法。在钛合金表面制备类金刚石薄膜涂层虽然取得了不错的临床效果，但是类金刚石抗磨损差，容易形成碎片并形成血栓。

3 Ti6Al4V存在的主要问题

3.1 生物相容性

生物医用材料Ti6Al4V由于与人体骨性能接近，且生物相容性好，故可以将其植入人体内。临床上Ti6Al4V虽然是人工骨的主要成分，但是其和人体的骨骼成分有着本质的区别，其生物相容性和自然骨存在着一定的差异。当Ti6Al4V人工骨被植入人体后，无法像自然骨一样在其四周产生纤维包囊，植入骨和人体骨只是简单的机械嵌连，其结合力与相容性与人体骨相比，存在一定的差距[12]。

3.2 力学性能

首先，Ti6Al4V与人体骨组织的弹性模量存在较大差异，随着时间的延长，力学性能的不匹配可能造成植入物的脱落；其次，Ti6Al4V 合金不足以抵抗由机械运动引起的摩擦磨损，随着植入时间的延长，可导致植入物失效，这样就会大大增加表面出现氧化的倾向，当氧化发生时，就会出现脆性大的氧化物，并随着反复摩擦最终剥落，不仅丧失Ti6AI4V应有的保护作用，而且会进一步加速关节表面的磨损，随着磨损的加剧，关节会逐渐松动，最终发生人工关节失效现象。

3.3 耐腐蚀性能

生物医用材料Ti6Al4V植入体内后，不仅要与人体内部的体液相互作用，而且还要承受各种外力。虽然Ti6Al4V表面的钝化膜能够保护植入物。但是随着时间的延长，Ti6Al4V耐腐蚀性下降，其钝化膜在复杂的人体环境中可能被剥离、溶解，并且释放到人体组织内。一旦这种情况发生，可诱发毒性、炎症、血栓等反应[13]。

4 Ti6Al4V问题的改善途径

要解决Ti6Al4V合金临床应用中的问题，主要有两种途径：第一种是优化Ti6Al4V的成分；第二种是对Ti6Al4V的表面进行改性。

4.1 成分优化

由于Ti6Al4V临床应用已经相对成熟，加之开发新型生物医用材料难度大、周期长、成本高，故针对Ti6Al4V临床中存在的问题，可通过添加某些适当的元素，实现Ti6Al4V成分优化，改善其性能。Ti6Al4V在成分优化时，需要考虑以下三点。

第一，元素进入人体后将产生的一系列生物效应。在选择Ti6Al4V添加元素时，要优先考虑其对人体的生物效应。部分纯金属元素的人体生物效应及其特征如表1所示。另外，还需要考虑元素的神经毒性和细胞毒性。有研究表明：Al、V、Cu、Ni等属于有毒元素，Mo、Fe、Co-Cr 合金等则具有某种程度的生物相容性，而 Nb、Ta、Zr、Sn 等则具有很好的生物相容性[14-15]。

表1 部分纯金属元素的人体生物效应及其特征

第二，元素的加入对合金力学性能尤其是对弹性模量及耐磨性能等产生的影响。钛合金的弹性模量高于人体骨组织，要使合金具有较低的弹性模量，应保证合金同时具有较高的Bo、Md值。图1为 Ti-M二元合金的Bo-Md图[14]。该图中Bo、Md值较高的有Mo、Nb、Zr和Ta等，故选择这些元素有利于改善弹性模量。

第三，金属元素的加入对合金耐蚀性能产生的影响。由于人体内环境十分复杂，要求植入产生的Ti6Al4V合金具有较好的耐蚀性，否则就可能导致Ti6Al4V表面被剥离、溶解，从而诱发毒性、炎症、血栓等不良反应，影响临床应用。

4.2 表面改性

表面改性能够在保持基体材料自身优异性能的基础之上，有针对性地改善基体材料表面的某些不足，使基体材料表面获得优势性能的叠加。相对钛合金成分优化而言，钛合金表面改性具有研发周期短、投入成本低、操作简单便捷等优点。近年来，钛合金表面改性已成为生物医用材料最活跃的领域之一[16]。目前，国内外钛合金常用的表面改性方法及应用见表2。

图1 Ti-M 二元合金的 Bo-Md 图Fig. 1 Bo-Md diagram of Ti-M binary alloy

通过表面改性技术提高和改进医用金属材料生物学性能，是当今生物医用材料发展的重点。Ti6Al4V作为钛合金的一种，合理选择表面改性方法，综合不同表面改性技术的优点，是解决生物医用材料Ti6Al4V临床问题的重要途径之一。

表2 钛合金常用的表面改性方法及典型应用

5 结语

虽然生物医用材料Ti6Al4V临床研究取得了一系列的成果，但是Ti6Al4V临床应用依然存在不足。因此，提高和改进Ti6Al4V的生物学性能，仍然是今后Ti6Al4V发展的重点。通过改善Ti6Al4V合金的成分、对Ti6Al4V合金的表面进行改性，是现阶段解决生物医用材料Ti6Al4V临床应用问题的主要途径。