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几种比较典型的β型钛合金：Smith&Nephew Richards公司 的Ti-13Ni-13Zr，Ti-35Nb-5Ta-7Zr
几种钛合金的弹性模量比较
Ti-6Al-4V 110GPa Ti-6Al-7Nb 105GPa Ti-5Al-2.5Fe 110GPa Ti-13Nb-13Zr 79GPa Ti-35Nb-5Ta-7Zr 55GPa 人体骨骼：股骨17.6GPa、胫骨18.4GPa、肱骨
一、提高钛合金的生物活性
1、钛合金表面面貌的改变 生物材料的生物活性除与材料表面的化学状态有关
外，还与材料表面形貌密切相关。粗糙表面不仅增 加接触面积，并且可以优先黏附成骨细胞、上皮细 胞。当表面粗糙度降至细胞水平，将呈现粗糙表面 对细胞的生长有接触诱导。
2、涂层钛合金
目前应用最多的是在钛合金表面制作一层生物活性 陶瓷涂层。 生物活性陶瓷涂层有：羟基磷灰石（HA）、氟磷灰 石（FA）、β-磷酸三钙（ β-TCP）等 HA在化学成分、晶体结构、与骨组织的羟基磷灰石 盐极为相似，含有与人体组织发生键合的羟基，成 为生物活性陶瓷中首选的涂层材料。
3、镁基合金
耐蚀性差成为限制其应用的重要因素
钛合金是怎么进入人们视线的？
上世纪40年代初， Bothe等发表了有关 多种金属种植体与
骨之间反应的文章，
从而将钛带入了生
物医学领域。
60年代， Branemark 将钛合金用
作口腔种植
体。
50年代 的研究 进一步 证实了 钛无任 何不良
反应。
近年来，钛及其合金 以其与骨相似的弹性 模量、良好的生物相 容性及在生物环境下 优良的抗蚀性在临床 上得到了越来越广泛 的应用。
大量的体内和体外实验证明，钛在体液中虽然有很强的抗 腐蚀性，但仍会有物质释放到组织中。Williams的研究表 明钛种植体周围组织中钛的浓度会提高10~100倍。生物体 的复杂性决定了种植体-组织之间反应的复杂性。
作为硬组织替代材料，合金的耐磨性是一项重要的指标。 耐磨性较差的合金在长期服役过程中会导致恶性细胞反应、 组织发炎、破坏性酶的释放、骨质溶解、感染、植入物的 松动和疼痛等。
为了增加合金的耐磨性，许多学者采用离子束方法 来改善钛合金耐腐蚀、耐磨损、耐疲劳性能。
通常在其表面通过离子注入的方法注入C、N等在材 料表面形成硬相沉积物，这些沉积物的形成阻碍了 位错运动，从而增加了表面的微硬度，提高了钛表 面的耐磨性和抗疲劳性能。
这种方法可控性好，且在真空条件下进行，满足了 植入物材料的洁净化要求。离子注入的人工关节在 美国已实现了实用化。
二、提高耐磨性、耐蚀性
正常人的体液中含有水、葡萄糖、聚糖（GAG）、蛋白质、 类脂物、约0.9%的NaCl，以及nm级的Ca2+、Mg2+、Na+、 K+、Cl-、OH-和H2PO4-等，正常状态下的PH值为7.4。有两 种特性决定了这个环境的腐蚀性：它是一种含盐电解质， 促进了电化学机制的腐蚀和水解；组织中的有机分子和细 胞有加快化学反应或破坏外来成分的能力。
短期的实验证明，HA表面可实现骨-种植体的键性结 合。但随着时间的推移涂层将逐步降解脱落，据报 道植入12周后涂层就逐渐消失，从而造成骨与基体 钛合金的直接接触，基于这点有人认为涂层不但没 有加快骨愈合，反而推迟了骨愈合进程。
3、钛合金的生物活化
钛表面的TiO2是致密的钝化层，诱导磷酸盐沉积的能 力很差，甚至不能诱导。通常认为表面钛羟基 （TiOH）在骨组织形成骨键结合的过程中起着重要 作用。 活化的方法：阳极氧化、化学方法 近年来，采用蛋白质或多肽对生物材料进行表面改 性成为生物材料的研究热点，钛基合金表面的模拟 矿化具有低温形成钙磷薄层、不破坏蛋白质大分子 的生物活性等优点，为蛋白质等生物活性物质与钙 磷共沉积提供了可能，被认为可用于制备生物活性 材料。
生物医用金属材料
1、不锈钢
316L不锈钢——医用人工关节 316L主要成分：C≤0.03,Si≤1.00,Mn≤2.00,P≤0.045,S 0.03, Ni 11-14,Cr 16-18,Mo 2-3 廉价、容易缝隙腐蚀或摩擦腐蚀，易发生疲劳腐蚀断裂
2、钴基合金 Co-Cr
Co-Cr-Mo合金、Co-Ni-Cr-Mo合金-关节替换假体连接件 生物相容性好，价格较高，Co、Ni元素存在严重致敏性
医用β钛合金的表面改性
姓名：朱 晓 鹏 学号： 1100509044
背景
医用 钛合 金的 发展
表面 改性 技术
小结
背景
世界人口近65亿（06年，2010年估计69亿）据不完 全统计，伤残者接近4亿，肢体伤残者6000万，牙病 患者20亿，目前生物材料器件植入者仅有3500万人， 每年关节置换量约150万例，与实际需要置换者的数 量相差甚远。因此，生物医用材料市场需求潜力巨 大。而作为生物医用金属材料的首选，钛及其合金 需求也将大增，因此加大医用钛合金材料的研发力 度源自文库在必行。
17.5GPa、桡骨18.9GPa、牙本质10~20GPa、牙釉质 40~80GPa
目前医用钛合金存在的问题
1、生物活性不够。 钛合金是一种生物惰性材料,其表面结构和性质与骨组织 差异太大,不能与骨形成化学骨性结合,即没有骨传导、骨 整合作用
2、弹性模量与自然骨组织的相差还较大。 3、耐磨性能较差。
第一阶段
医
纯钛
Ti-6Al-4V
用
钛
第二阶段
合
Ti-5Al-2.5Fe
Ti-6Al-7Nb
金
的
第三阶段（β钛合金）
发
更好的生物相容性 更低的弹性模量
展
各阶段医用钛合金的特点
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。
由于钛合金本身的低塑性剪切抗力和加工硬化性能,而引 起粘着磨损和磨粒磨损产生大量磨屑,导致植入体的无菌 松动,最终促使手术失败 4、耐腐蚀性能还需加强。 虽然钛合金表面上有一层稳定而致密的氧化物钝化层,但 是在复杂的人体腐蚀介质中,加上外力作用,纳米级厚的钝 化膜很可能被剥落,导致有物质释放到人体组织中,从而产 生毒性、炎症、血栓等不良反应。
另一方面，随着功能梯度材料及功能梯度涂层技术 的发展，通过对钛合金的表面改性，其在临床方面 的应用必将具有更广阔的前景。
贵金属铱（Ir）的耐蚀性最好，并有良好的生物相容 性，用铱对钛合金表面改性取得了巨大成功。
小结
随着材料及其加工技术的发展，更适合于骨组织固 定及修复的新兴材料必将得到进一步的发展。钛合 金在将来的一段时间里必将是最引人注目的金属植 入物之一，新型钛合金将朝着不含Al、V等对人体有 害离子，生物相容性、耐腐蚀性、耐磨性等综合性 能更好的方向发展。
表面改性技术
在生物医学工程中，表面改性一般都是用于提高植 入物的耐磨损性、抗腐蚀性和生物相容性，改性后 的表面一般呈现“生物惰性”或“生物活性”。
目前的表面改性技术主要分湿法和干法两类：湿法 是利用从液相中发生各种化学反应从而进行表面改 性的技术，有Sol—gel法、水热合成法、电化学沉积 法、自组装单层膜法等；干法是在气相中进行各种 反应或沉积，有等离子喷涂法、物理气相沉积法、 化学气相沉积法和激光熔覆法等。
Ti-6Al-4V具有较高的强度和较好的加工性能， 70年代后期被广泛用 作外科修复材料，如髋关节，膝关节等。 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Na+、K+、Ca2+和H+的ATP酶发 生作用，毒性超过Ni和Cr。
α +β型合金Ti-5Al-2.5Fe、Ti-6Al-7Nb避免V元素的潜在毒性， 80年代中期在欧洲得到了发展。但由于Al元素的存在，Al 会通过铝盐在体内的积累使人体器官受损，还可引起骨软 化、贫血和神经紊乱等症状。弹性模量为骨的4~10倍，出 现应力屏蔽现象，导致移植失败。