新型医用钛合金材料的研发和应用现状

生物医用材料作为一类先进多功能材料可用于诊断、治疗、修复或替代人体组织、器官或增进其功能,其独特疗效为药物不可替代。从医用钛合金材料的研发历史和长期临床应用反馈表明,其未来发展重点依然是先通过研究其体外的生物相容性、力学相容性等基础科学问题,最终才能实现解决或改善其体内的生物安全性和服役长效性问题。提高医用钛合金材料的生物及力学相容性是确保其在体内长期稳定服役并发挥持久治疗效果的关键,也是设计和开发新型医用钛合金材料的研究基础和应用目标。本文从医用钛合金材料合金设计、物理冶金、材料加工、组织与性能、表面改性、先进制造及临床应用等诸方面进行了综述,并介绍了作者研发团队的最新进展,展望了未来发展趋势及待解决的问题。

目前市场上外科植入物和矫形器械常用的金属原材料主要包括不锈钢、Co-Cr基合金和钛合金3大类,约占整个生物材料产品市场份额的40%左右[1]。钛合金具有密度小、比强度高、生物及力学相容性较好及易加工成型等特点,已发展成为一类量大面广的中高端外科植入物用的主要原材料。从钛合金牙种植体、人工关节等骨科硬组织修复替代到冠脉支架等血管及软组织微创介入等高端金属器械产品的里程碑式的应用至今,对其远期疗效暴露出的各种失效问题促使人们不断优化和改良传统的医用钛合金材料,同时积极研究和开发新型优良的医用钛合金材料。

钛合金在生物医学领域的研究可追溯到上世纪40年代初期,Bothe等[2]和Leventhal[3]通过动物实验最先证实了纯Ti的良好生物安全性;上世纪50~60年代,不锈钢和Co-Cr合金得到广泛应用,而具有中低强度的α型钛合金包括纯Ti和Ti3A12.5V钛合金(TA18)开始在口腔种植体等承载较小的骨齿科部位获得开发和应用尝试[4,5]。上世纪70年代后期,航空用具有中高强度的两相钛合金Ti6A14V (α+β型,TC4、TC4ELI)开始移植到医学领域并迅速获得推广应用[6-9]。随着钛合金在临床应用的不断深入,临床医生在实施TC4钛合金人工髋关节翻修手术时发现其生物学和生物力学性能不尽人意。上世纪90年代中期,瑞士和德国先后开发出以Nb和Fe分别替代V的新型医用两相钛合金Ti6Al7Nb (TC20)和Ti5Al2.5Fe (TC15)[10,11];但是随后发现上述2种合金在生物安全性、生物力学相容性和加工成型性等方面仍有缺陷(Ti5Al2.5Fe合金已被国际医学标准废弃),且它们较高的弹性模量与TC4钛合金相当,这不利于与具有较低弹性模量的骨组织的生物力学性能相匹配。

上世纪90年代人们开始研发不含有毒元素、高强度、低模量的第三代新型β型(包括全β型、亚稳β型、近β型或称富α+β型)医用钛合金,已开发成功的新型β型钛合金主要包括美国开发的Ti13Nb13Zr、日本开发的Ti15Mo5Zr3Al、德国开发的Ti30Ta等合金[12,13]。我国从上世纪80年代开始医用钛合金材料的研究与开发,1999年西北有色金属研究院在国内首次研制出第一个具有我国自主知识产权的近α型医用钛合金Ti3Al2Mo2Zr (TA24),2002年研制出2种新型近β型医用钛合金Ti-5Zr-5Mo-15Nb (TLE)和Ti-5Zr-3Sn-5Mo-15Nb (TLM)[14,15]。另外,中国科学院金属研究所、东北大学、哈尔滨工业大学、北京有色金属研究总院、宝鸡有色金属加工厂等单位也开展了新型β型钛合金的基础和应用研究。我国在医用β型钛合金研发方面已走在国际前列,但尚无β型钛合金纳入我国外科植入物材料国家标准。

1.2.1 医用钛合金化选材设计 开展新型医用钛合金化选材设计时,合金添加元素的细胞毒性是首要考虑因素,同时要求所添加元素对钛合金综合力学性能的不良影响最小。金属Ti具有同素异构相转变,在882 ℃时从低温的α相(hcp结构)转变为高温的β相(bcc结构)。根据合金元素在α相和β相中的溶解度(或根据它们对相变温度的影响),可将其合金元素大致分为α相稳定元素、β相稳定元素和中性元素。目前国内外学者在进行医用钛合金化选材设计时,主要选用对人体有益的钛合金β相稳定元素Nb、Mo、Ta、Hf和中性元素Zr、Sn以及α相稳定元素Al、O、N等合金元素,而选材基本原则是根据合金元素在Ti及钛合金中的作用及相图决定的：一是利于新合金形成单一均匀相(替代式或间隙式固溶体),避免形成金属间化合物等硬质脆性相组织;二是通过影响α+β /β相变点,有利于后续的加工、热处理和显微组织及力学性能调控。

目前国内外已报道的各类新型医用钛合金多达近百个,合金设计包括二元系到六元系合金,合金元素涉及近20个[16]。一般来讲,α相稳定元素Al、O、N等对钛合金的强化非常有效,但通常降低材料的塑韧性并提高其弹性模量;而Zr、Nb、Mo、Sn能够使Ti基体强化而对塑韧性的不利影响较小,同时对降低弹性模量有利。Song等[17]通过对β型二元钛合金中添加元素的电子结构计算也同样证实中性元素Zr和β相稳定元素Mo、Ta、Nb有利于降低合金的弹性模量,而α相稳定元素Al可增加弹性模量[18],改变中性元素Sn在TiNbSn合金中的含量对合金低屈服应力和超弹性也有一定影响[19]。针对新型β钛合金成分多元化和力学相容性设计要求,除了需严格选择和控制合金元素特别是β相稳定元素及配比(重量或原子比),特别需要关注合金多元化后对性能的耦合影响,因为已经证实Zr、Sn、Mo、Nb、Ta等元素对多元钛合金强度、塑性和模量等理化性能的影响,与其在合金中配比存在非线性或定量依存关系,不同元素对合金性能的影响各不相同,力学性能随着合金成分的变化显得更加复杂,这与二元合金的影响规律不尽相同[20]。O和N等气体杂质元素在提高合金强度的同时也使得弹性模量增大,因此通常按照微量元素来加入以调整其塑韧性及弹性允许应变[21]。另外,Hf、Ta、Nb元素虽然对合金低模量化和加工塑韧性调控有利,但原材料价格昂贵、熔点较高,不适于低成本化钛合金设计选材。

1.2.2 医用钛合金化设计方法概述 对于新型高强度低模量的介稳定β钛合金的设计开发,当前国际上大多采用Mo当量公式、Kβ稳定化系数、d-电子合金理论、平均电子浓度e/a、第一性原理和分子轨道理论等方法进行合金成分设计和组织性能的预测。此外,借助合金元素的热力学和动力学参数、不同相晶格参数等建立数据库或实验模型,结合计算分析软件和方法也开发了诸如[团簇](连接原子)x结构模型、神经网络技术、模糊逻辑等方法,这些合金设计方法经实验验证均取得了较理想的效果[22-25]。

Mo当量设计方法是目前获得高强度钛合金最简便有效的途径之一。它主要通过事先计算出各种合金添加元素的“Mo当量”数值来预测合金的相结构与力学性能：当Mo当量在0~9之间时,随Mo当量的增加,强度相应提高。而d-电子合金设计法是基于不同类型钛合金在电子轨道相图上的位置区间,以及弹性模量和强度在相图上的排列规律来进行医用钛合金的设计：其一般设计准则是首先确定合金具有低模量的电子轨道参数,然后根据不同合金元素的电子轨道参数及d-电子理论,计算出合金的平均电子轨道参数,使之符合设定的目标。目前许多新型医用低模量β钛合金采用该方法进行合金设计[24]。此外,根据平均价电子数与弹性模量的相关曲线规律,当平均价电子数为4.2~4.25时合金模量较低,日本学者采用此法率先开发出了基本成分为Ti(Nb、Ta、V)+(Zr、Hf)+O的低模量β钛合金-橡胶金属,该合金的平均价电子数约为4.24,其弹性模量与人体骨接近,但强度等性能较低而未在外科植入物领域获得实际应用[26]。Hu等[23]发明的新型Ti2448 (Ti24Nb4Zr7.6Sn)钛合金,其平均价电子数只有4.15,理论上并不在低模量区间,但实际模量最低可达40 GPa。因此,该法对新型医用钛合金的设计不具普适性。模糊逻辑和神经网络技术的合金设计法首先都需要大量的合金成分及相应的性能数据,然后使用模糊逻辑推理软件或神经网络软件建立合金成分与性能的数学模型,再利用其它数据进行不断修正以达到对合金成分优化和性能预测的目的,但该类设计方法目前尚不完善[22]。

1.2.3 新型医用钛合金的开发 目前国际上已设计成功的低模量医用β钛合金多达20余种,已被纳入国际标准的新型医用β钛合金有Ti13Nb13Zr、Ti12Mo6Zr2Fe (TMZF)、Ti15Mo、Ti15Mo5Zr3Al和Ti45Nb等,其中前3种是为了降低应力屏蔽效应和提高其生物力学相容性的要求由美国设计开发的[27,28]。Ti15Mo5Zr3Al是日本神户制钢在Ti15Mo的基础上按照提高耐蚀性和强度的要求进行设计的。Ti45Nb合金起初也是由美国按航空航天用紧固件等零部件的要求进行设计,随后由于其高强度、低模量和耐蚀性好等综合性能而被引入生物医学工程领域[29]。随着低模量β钛合金的不断应用,日本开展了大量的研究开发工作,其中日本大同特殊钢公司基于DV-Xα理论采用d-电子合金设计方法开发出了弹性模量最低约55 GPa的Ti29Nb13Ta4.6Zr (TNTZ)亚稳β钛合金。为了降低TNTZ合金成本和弹性模量,提高其强度及疲劳性能,Niinomi等[30-35]又分别通过添加不同含量的O元素和Cr元素以及采用大塑性变形、累积连续冷轧、变形诱发相变、热机械处理等方法来优化合金的强度、弹性模量、塑性和超弹性等综合力学性能,揭示了TNTZ合金的模量随高压扭转次数或织构的增加而降低以及单晶TNTZ对晶体取向的依赖性;通过提高O含量来抑制无热ω相的生成,增加Cr元素和合金冷变形使其弹性模量从64 GPa提高至77 GPa,并因此提出了脊柱固定器用“自调节模量”类钛合金的设计方法。目前,能够达到模量自调节的新型钛合金除了Ti-Cr系合金,随后又开发了Ti17Mo、Ti30Zr5Cr、Ti30Zr7Mo、Ti30Zr3Mo3Cr等合金。日本科研人员设计的低模量钛合金大多是在TNTZ基础上陆续发展的,主要通过改变合金元素及其成分并立足低成本化理念来进行设计和研究[36,37],其应用方向不仅仅限于生物医学工程领域。

西北有色金属研究院自上世纪80年代开始致力于各类医用钛合金材料的设计和开发,尤其是在钛合金材料的产业化应用研究方面走在国际前列。自1999年以来已先后开发出Ti2.5Al2.5Mo2.5Zr (TAMZ)、Ti3Zr2Sn3Mo25Nb (TLM)、Ti15Nb5Zr3Mo (TLE)、Ti10Mo6Zr4Sn3Nb (TB12)等多种新型医用钛合金并均获国家发明专利。2002年于振涛教授研发团队研制出了2种新型介稳定β型钛合金TLM、TLE,其设计原则是：(1) 选择对人体无毒性、可在α-Ti和β-Ti中充分固溶以及较低成本的合金元素,并选定Ti-Nb二元系作为合金设计的基础体系;(2) 采用d电子理论、Mo当量经验公式及Kβ稳定系数相结合的方法,根据钛合金二元相图及d电子轨道相图计算,选择能够产生亚稳态相变及马氏体转变而使合金室温下处于介稳定相状态的设计参数;(3) 依据第一性原理计算了合金元素Sn、Zr、Mo及其含量对钛合金强度、模量及马氏体转变温度等因素的影响,并预先充分考虑了钛合金冷、热加工成型性特点,最后通过一系列工业实验验证而成功获得了具有综合力学性能宽泛且可调控的新型高强度低模量医用钛合金,该研发团队开发的系列新型医用钛合金的典型力学性能如表1所示。

表1   部分典型的新型医用钛合金材料的力学性能

Table 1   Mechanical properties of some typical newly developed titanium alloys used for biomedical application

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2.1.1 钛合金的熔炼技术 钛合金的熔炼技术主要包括真空自耗熔炼和真空非自耗熔炼2大类。真空自耗熔炼设备主要包括：真空自耗电弧熔炼(VAR)、电渣熔炼(ESR)和真空凝壳炉熔炼(GRE);真空非自耗熔炼设备主要包括：真空非自耗电弧熔炼(NC)、电子束熔炼(EBM)、等离子束熔炼(PAM)等。其中VAR技术是工业钛合金最常用的熔炼方法,对于一些要求高洁净、低夹杂等特殊用途的钛合金材料也可采用EBM、PAM等熔炼方法[38]。有关钛合金常用熔炼技术的工艺特点和参数对比如表2所示。

表2   几种真空熔炼方法的对比

Table 2   Comparisons of several vacuum melting methods

Note: EBCHM—electron beam cold hearth melting, PCHM—plasma cold-hearth melting, VAR—vacuum consumed electric arc remelting, NC—vacuum non-consumed electric arc melting, CCM—cold crucible melting, ESR—electric slag remelting

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2.1.2 钛合金的凝固行为 VAR过程中合金的凝固组织是由合金的成分及冷却条件决定的,在合金成分确定之后,合金凝固组织主要受传热条件控制。VAR钛合金铸锭凝固组织一般包括3个晶区,即表层的细晶区、铸锭外侧的柱状晶区及铸锭中心的等轴晶区,而不同晶区晶粒的形貌将会影响最后铸锭的性能[39-42]。合金凝固过程中容易发生溶质再分配,而化学成分偏析是溶质再分配的必然结果。宏观偏析主要表现在铸锭的内外或上下各部位之间的成分差异,其中液相长程对流对合金中的宏观偏析有重要影响。张利军等[43]研究了高Mo含量β型钛合金铸锭的偏析行为,认为结晶偏析可通过Ti铸锭尺寸规格控制、中间合金的种类选择、熔炼次数和熔炼电流的精确控制、成品铸锭的均匀化处理工艺选择等方法来进行预防,从而获得成分均匀性高、没有宏微观偏析的钛合金铸锭,为后续的冷/热压力加工奠定了基础。

Sakamoto等[44]和Leder等[45]对α型、α+β型和β型等多种典型钛合金在熔炼过程中合金元素分布的研究发现：Cu在铸锭横截面上从铸锭中心到边缘含量逐渐减少,在铸锭中心的含量最高;Ni、Cr、Fe、Mn与Cu有相同的偏析特征,而Mo的分布与以上元素相反。Ballantyne[46]通过研究合金元素Al、Fe、Cr、Ni、Si、Zr、O、N在钛合金铸锭中的分布得到了相同的宏观偏析规律。郑亚波等[47]对大规格TA13钛合金铸锭Cu组元偏析控制研究发现：在铸锭的轴向上区域,由于熔炼后期补缩阶段Cu元素的挥发,导致铸锭顶部的Cu含量相对较低;在铸锭内部,Cu从铸锭中心到边缘含量逐渐减少,在铸锭中心的含量最高。赵永庆等[48]研究Ti-2.5Cu、Ti-3Fe、Ti-3Cr、Ti-13Cu-1Al和Ti-6Al-1.7Fe合金铸锭中Cu、Fe和Cr的偏析规律发现：合金元素Cu和Fe的偏析程度大,Cr的偏析程度小;Cu和Fe含量越高,偏析程度越严重;Cu在Ti-13Cu-1Al的晶界处易发生富集,而在Ti-2.5Cu合金中容易出现晶界贫化。因此,对于平衡分配系数K1的元素则相反[49-52]。

2.1.3 钛合金冶金缺陷形成及分析 钛合金熔炼过程中冶金缺陷的形成与铸锭组织中的白斑、树环偏析等宏观偏析密不可分。1996年Kennedy等[53]将钛合金铸锭中的常见白斑分为3类,并根据假设形成机制命名。2002年Zhang等[54]研究了INCONEL718合金在VAR铸锭过程中枝晶白斑的形成;Xu等[55]则利用有限容积方法(FVM)耦合元胞自动机(CA)法研究了该合金中树环偏析的形成,并探讨了VAR过程中的工艺参数对树环偏析的影响。宏观偏析体现在铸锭内外或上下部位之间的成分差异,只有在温度场、浓度场和流场耦合的基础上,采用数值计算模拟才可定量预测宏观偏析。1997年Gartling和Sackinger[56]采用Parallel Virtual Machine soft ware软件对TC4等钛合金的VAR过程进行分析,得到Al元素的宏观偏析及夹杂物的运动轨迹。他们模拟了TC4钛合金VAR过程中Al元素和V元素在铸锭上的分布,以及有/无搅拌时O元素在铸锭上的分布,证实电磁搅拌可显著减小铸锭径向的合金元素偏析。另有研究[57,58]表明,电磁搅拌之所以能有效地减轻或消除中心偏析,一方面是通过控制熔体的流动方式,改变枝晶之间的熔体流动情况;另一方面促进熔体填充因凝固收缩所产生的孔隙,控制游离晶体。

经真空自耗电弧熔炼的铸锭,在铸锭头部、中部、晶界及枝晶间等地方,往往存在一些宏观或显微的收缩孔洞,容积大且集中的称为缩孔,细小而分散的称为缩松,其中在晶界或枝晶间出现的缩松又称为显微缩松。任何形态的缩松或缩孔处都存在应力集中,这不仅会显著降低铸锭的力学性能,而且在铸锭开坯过程中容易产生裂纹。在后续深加工时缩松一般可以复合,但聚集有气体和非金属夹杂物的缩孔一般不能压合而只会伸长,更甚者会造成铸锭沿缩孔轧裂或分层,并在退火过程容易出现起皮、气泡等缺陷,从而降低产品的表面质量和成材率。利用Pro CAST软件可对铸锭凝固后的缩松和缩孔进行计算数值模拟,并可初步确定实际铸锭缩松和缩孔的位置[59]。

铸锭熔炼过程的数值模拟是材料学、物理学、数学以及计算机图形学等各学科的交叉,也是先进制造技术的前沿,开展铸锭熔炼过程的数值模拟可以帮助工程技术人员优化工艺参数,缩短实验周期,降低生产成本并确保铸锭的质量。目前国外对于VAR过程的数值计算已步入多物理场与多尺度耦合阶段,对于深入理解VAR过程中熔体流动、热传输、电磁作用、微观组织以及熔炼缺陷形成的物理化学现象具有重要意义。

2.2.1 生物医用Ti-Ta合金 针对Ti-xTa合金设计开发方面,国内外学者开展了大量的研究。Fedotov等[60]系统研究了Ti-Ta二元合金高温淬火发生的相变与成分的关系：随着Ta含量增加,依次产生α'、α″、ω、β相,且β相逐渐增加;当Ta含量超过65% (质量分数)时,则全部转变成β相。Zhou等[61]对Ti-Ta二元合金的微观组织和力学性能进行了研究,发现淬火态的Ti30Ta和Ti70Ta合金的Young's模量较低,分别为69和67 GPa,而对应的抗拉强度分别为587和600 MPa。可见,增加昂贵高熔点的Ta元素含量并不能显著降低合金的弹性模量,而抗拉强度也处于较低水平。Margevicius和Cotton[62]对Ti-60Ta合金的研究发现,合金在拉伸过程中出现的屈服平台是由于应力诱发马氏体相变引起的,在高温淬火过程中有ω相析出,ω析出相的体积分数随热处理温度升高而增加,并且ω相的析出会阻碍β→α″马氏体相变。对钽合金抗腐蚀性能的研究表明,Ta2O5的稳定性优于TiO2,在两者的共同作用下,Ti-Ta合金具有很强的抗腐蚀能力,有望在生物医学及石油化工工程等领域推广应用。

本文作者所在课题组系统研究了Ti-xTa (x=1、2、5、10、20、30、40、50、60、80,质量分数,%)二元医用钛合金系列。选用1级小颗粒海绵Ti和冶金级Ta粉和混布料工艺,采用三次VAR熔炼工艺制备出了成分均匀、杂质含量很低的优质合金铸锭。

2.2.2 生物医用Ti-Nb-Ta-Zr合金 Niinomi等[1,9,20,63]在国际上最早研制开发了较低弹性模量的生物医用TNTZ亚稳定β合金。该合金在时效时会析出α相或ω相,提高了合金的弹性模量;而如果引入β相及α″相(马氏体),或采用大塑性变形会诱发马氏体相变并产生微缺陷,从而可降低弹性模量。TiNbTaZr四元系β型合金的弹性模量存在较强的各向异性,因而可通过控制轧制方向使其弹性量接近皮质骨的水平。

针对TNTZ合金中含有较多含量的Nb、Ta等比金属Ti熔点和密度都高得多的合金元素,本文作者所在课题组采用优质原料(小颗粒海绵Ti、冶金级Ta粉和Nb粉、海绵Zr)、混布料工艺、三次VAR熔炼工艺,成功制备出了成分均匀、杂质含量较低的优质合金铸锭和热轧板坯,有效避免了上述合金元素的宏观偏析。有关TNTZ钛合金铸锭、热轧板坯及其高低倍组织如图1所示。

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图1   TNTZ (Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr)钛合金

Fig.1   TNTZ (Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr) alloy(a) ingot (b) macrostructure (c) microstructure (d) hot rolled plate (e) as rolled microstructure

2.2.3 抗菌用Ti-Cu合金 钛合金作为一类生物惰性材料,自身不具备抗菌或抑菌生物性能,当植入人体后会与机体组织产生异物排斥而诱发炎症,且有可能带入有害细菌而引发感染。研究[64]发现,在现有医用钛合金中适量加入Cu、Ag等合金元素,可使钛合金在保证其基本力学性能的同时,具有一定的广谱杀菌或抑菌功效,从而有望成为一种有效解决钛合金外科植入器械细菌感染问题的新途径。

本课题组采用合适的原料(0~1级海绵Ti和99.99%Cu屑)和混布料工艺,设置合适的熔炼工艺参数,通过反复多次熔炼和热加工,成功制备出了Ti3.5Cu抗菌用钛合金优质铸锭和高品质小规格棒材。Ti3.5Cu合金宏观形貌和显微组织如图2所示,棒材表面无可见的冶金缺陷和氧化皮,直线度和圆度良好;由其显微组织分析可见α相呈扁平针条状并均匀分布。

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图2   Ti-3.5Cu合金宏观形貌和显微组织

Fig.2   Ingot (a), hot rolled bar (b) and as rolled microstructure (c) of Ti-3.5Cu alloy

2.2.4 口腔用Ti-Zr系钛合金 Ti-Zr系钛合金生物相容性好,强度及塑韧性适中,是一类适合牙种植体、义齿支架等齿科用产品设计开发的新型医用合金。本课题组采用传统的VAR熔炼技术,成功制备出了成分较均匀、杂质含量较低的Ti-xZr (x=1、2、16、20、35、50、60,质量分数,%)系列新型生物医用钛合金,Ti-Zr系钛合金实测化学成分见表3。

表3   Ti-Zr系钛合金的化学成分

Table 3   Chemical compositions of Ti-Zr system alloys (mass fraction / %)