新型無釩、低成本Ti-4.7Mo-4.5Fe合金的生物醫(yī)學(xué)相容性評估

目前，超過2/3的生物植入體材料都為金屬，在這些生物醫(yī)用金屬材料中，鈦合金表現(xiàn)出最好的生物相容性，其中，應(yīng)用最廣泛的生物醫(yī)用鈦合金為Ti-6Al-4V。但是研究表明釩元素是有毒性的，并且毒性超過了鈮和鉻。另外Ti-6Al-4V合金彈性模量與人骨質(zhì)彈性模量不匹配會造成應(yīng)力屏蔽和萎縮癥。因此，無釩、低成本、低模量、高生物相容性、高強(qiáng)度、強(qiáng)抗腐蝕能力是現(xiàn)在生物醫(yī)用鈦合金的發(fā)展趨勢。

埃及學(xué)者Yasser Abd-elrhman等人對一種作為候選低成本生物醫(yī)用材料的新型β鈦合金Ti-4.7Mo-4.5Fe(TMF55)的相容性進(jìn)行了評估，研究了該合金的制備成本、微觀結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、硬度、抗腐蝕能力及細(xì)胞毒性，并與Ti-6Al-4V合金的性能進(jìn)行了比較。

先用高純合金元素熔煉制得TMF55鈦合金，然后放入真空爐，1 273 K保溫8 h，以消除成分不均勻性。再在1 073～1 123 K下熱軋成2 mm厚的板材，切割制成試樣，在1 173 K下進(jìn)行1 h固溶處理后，用冰水淬火。最后分別在673、773、833 K下進(jìn)行3 h時效處理并空冷。對試樣進(jìn)行XRD檢測，在光學(xué)顯微鏡下觀察組織，測量顯微硬度，利用萬能材料試驗(yàn)機(jī)繪制室溫下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，用自由共振設(shè)備檢測楊氏模量，并在透射電鏡下觀察試樣的相組成。

研究結(jié)果表明：固溶處理后的TMF55鈦合金中，β相含量占絕對優(yōu)勢，另外還有少量的斜方α″馬氏體相。之后隨著時效溫度的不同，相組成發(fā)生變化，通過XRD和TEM檢測發(fā)現(xiàn)，673 K時效時出現(xiàn)了α相和ω相，超過673 K時效時β相和α″相轉(zhuǎn)變成α+β相或α相。光學(xué)顯微鏡觀察到所有試樣都有大量的等軸β相，低溫時效時從晶界處析出細(xì)小的α相，高溫下時效析出的α相呈稀疏分布的較粗大片狀。由力學(xué)性能測試結(jié)果可知：淬火狀態(tài)下TMF55鈦合金的模量、延伸率和抗拉強(qiáng)度分別為83 GPa、3%和974 MPa，時效處理后模量、抗拉強(qiáng)度和顯微硬度提高，延伸率下降。和Ti-6Al-4V合金相比，TMF55鈦合金有更高的強(qiáng)度、硬度和更低的模量，但塑性低。低溫時效時由于α″相的消失和ω、α相的出現(xiàn)使強(qiáng)度和硬度提高、延伸率下降。進(jìn)一步提高時效溫度時ω相消失，細(xì)小的α相從片層組織中析出，所以強(qiáng)度和硬度下降，延伸率有所上升，同時楊氏模量也會增加。高強(qiáng)度、高硬度、低模量使TMF55鈦合金能夠勝任生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，但是較低的塑性使它的應(yīng)用有所限制。

Yasser Abd-elrhman等人還進(jìn)行了TMF55鈦合金在Ringer生理溶液中的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)，并對材料進(jìn)行了電化學(xué)阻抗頻譜分析(EIS)。另外在紅血球細(xì)胞中通過中性紅攝入實(shí)驗(yàn)法對TMF55鈦合金進(jìn)行了細(xì)胞毒性評估。結(jié)果表明，在生理溶液中，TMF55鈦合金表面很快形成了氧化薄膜，使電位增加達(dá)到穩(wěn)定值。其中固溶處理和833 K時效的試樣表現(xiàn)出最高的正電位。由動電位極化曲線可知，與Ti-6Al-4V合金相比，TMF55鈦合金具有與其相當(dāng)?shù)牡透g電流密度和更高的腐蝕電位，表現(xiàn)出優(yōu)秀的抗腐蝕能力。由電化學(xué)阻抗頻譜分析也能得到相同結(jié)論。在TMF55鈦合金表面形成的氧化層有很高的電阻值。在細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)中，TMF55鈦合金表現(xiàn)出和Ti-6Al-4V合金一樣的良好生物相容性。

新型低成本近β型TMF55鈦合金表現(xiàn)出極好的力學(xué)性能、抗腐蝕性能和生物相容性，因此該合金近幾年受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注，很有可能成為第三代生物材料被用在永久植入體上。

張永濤摘譯自《Materials and Design》