醫用鈦合金的設計過程與研發應用
發布時間：2021-01-13
1940年初期，鈦合金的研發工作開始逐步進行，Bothe等人將鈦應用于老鼠骨中，發現鼠骨與鈦的相容性較好，沒有不良反應發生。到了20世紀50～60年代，研發出了具有耐高溫特性的鈦合金，70年代初期又有一批耐蝕鈦合金相繼研制出，在80年代中期階段，第2代無釩的a+β型鈦合金(Ti-6Al-7Nb和Ti-5Al-2.5Fe)也被研制出，在臨床中得到一定的應用，但該種合金中有毒元素Al和Fe會對人體帶來一定的傷害，并且該合金的彈性模量還達不到真正股骨的標準，會產生“應力屏蔽”使種植體周圍出現骨吸收的現象，引起種植體斷裂或松動從而導致植入失敗。到了1990年伊始，美國和日本開始致力于研究第三代新型的醫用鈦合金，其中以β型鈦合金為主。
鈦合金雖具有良好的生物相容性，但其屬于生物惰性材料。耐磨性較低，在磨損條件下容易產生大量的含有鈦的磨屑，甚至可誘發炎癥反應,導致植入體周圍的骨組織溶解，大大降低了其使用壽命。對鈦合金進行表面改性可以在保留鈦合金原有的優良性能的基礎上，使其生物相容性、耐磨性、耐蝕性等方面增強，改善其臨床使用性能從而更好的發揮其使用價值。鈦合金表面改性方法有很多種，包括氧化改性法、氣相沉積法、離子注入法、等離子噴涂法及激光表面改性法等。
在選擇適應于醫用材料時，對于不同部位，材料的彈性模量、韌性、強度、耐蝕性等相關指標成為考慮的必備因素。于振濤等人將不同金屬元素進行實驗比較，他們的研究結果顯示如下：V，Co，Cd，Cr，Ni，Hg等元素毒性較強，Fe，Al元素次之。在生物體內脾、肝、腎等部位發現有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導致人體的神經系統紊亂以及相應器官受損。Ta，Mo，Zr，Sn，Pd，Hf，Nb等元素生物相容性較好，可以作為合金的添加元素。Mo，Sn，Zr，TaHf，Nb，Pd的化學穩定性好，并且Ta，Nb，Zr，Mo能夠使合金的彈性模量降低，因此可以有效改善合金的穩定性能。綜上分析，理想的生物醫用鈦合金可以選擇的合金系包括Ti-Mo-Nb、Ti-Zr-Nb、Ti-Zr-Mo-Nb和Ti-Zr-Sn-Mo-Nb等。
在鈦合金的設計過程中，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及其各添加元素的電子軌道參數進行計算，得到相應的Md值和Bo值，進而對合金的彈性模量和抗拉強度等有關參數進行分析。實驗表明，Md值較低有利于相穩定，Bo值較高有利于提高固溶的強化效果。在對介穩定β型鈦合金進行設計時，應該控制Md值2.35~2.45以及Bo值為2.75~2.85之間。熱穩定β型鈦合金在進行塑性加工時會發生滑移變形，而介穩定β型鈦合金則可發生滑移、馬氏體或孿生變形。因而通過控制不同的合金顯微組織結構可以使材料性能在較大范圍內得以提升。
來源：搜鈦網
“寶雞盛輝鈦業有限公司，主營各種規格鈦棒、鈦加工件、鈦異形件；我們鈦棒的材料選用優良材質，符合標準，不偷工減料；我們鈦棒的規格多樣滿足您的需求；我們鈦棒的表面光滑、結構穩定、無凹凸、耐酸、耐堿、耐腐蝕、無裂紋。我們的目標是以優異的產品、可靠的質量、優越的終身效能費用比和有效的服務，滿足顧客日益增長的需要，質量是我們的自尊心。我們的生產理念：質量至上、用戶滿意、精益求精、務實創新。”
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