中国组织 工程研 究 第 17 卷 第 25 期 2013–06–18 出版
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Chinese Journal of Tissue Engineering Research June 18, 2013 Vol.17, No.25
doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.25.020 [h ttp://www.crter.org]
于振涛， 韩建业 ，麻西 群，余 森， 张明华， 张于胜. 生物医 用钛合 金 材料的生 物及力 学相容 性[J]. 中国 组 织工程研 究，2013 ，17(25):4707-4714.
☆
生物医用钛合金材料的生物及力学相 容性
1 1 1 1 2 1
于振涛 ，韩建业 ，麻西群 ，余 森 ，张明华 ，张于胜
1 西北有色金属研究院 ，陕西省 西安市 710016
2 解放军第四军医大学 附属唐都 医院，陕西省西安市 710038
文章亮点：
1 此问题的已知信息： 目前对医 用钛合金的生物及力 学相容性缺 乏系统研究和较为统 一的认识。 于振涛 ☆，男 ，1964 年生，
山东 省泰安市人 ，汉族 ，
2 文章增加的新信息： 初步分析 了生物医用钛合金材 料的生物及 力学相容性的概念、 内涵，并探 讨了合
2000 年西安交通大学毕
金成分、显微组织及 相变控制和 材料表面状态优化等 因素对钛合 金材料生物及力学相 容性的影响 规律。
业， 博士，教授 ，博士 生
导师 ，主要从事 医用金 属
3 临床应用的意义：要 使生物医 用钛合金植入材料获 得优良的生 物及力学相容性，对 材料内部显 微组织
材料方 面的 研究 。
和相变进行控制 ， 以及开展材 料 表面状态改性优化也 至关重要 ， 且不能单纯追求一种 钛合金的低 模量或
yzt@c-nin.com
高强度等某一单项力 学指标与人 体骨组织接近或匹配 而简单判定 其生物力学相容性的 优劣。
通 讯 作者： 于振 涛， 博士 ，
关键词：
教授 ，博士生导 师，西 北
有色 金属研究院 生物材 料
生物材料； 生物材 料综述； 钛合 金材料； 生物医用 金属材料； 外 科植入物及矫形器械 ； 生物相容 性； 力
研究 所所长，西 北有色 金
学相容性；863 项目
属研 究院，陕西 省西安 市
710016
摘要
中图分类号:R318
背景： 保证生物 材料优良的生 物 及力学相容性是研制 开发外科植 入物及矫形器械产品 的关键， 但 目前对
文献标识码:A
文章编号:2095-4344
其研究缺乏系统性和 统一性认识 。
(2013)25-04707-08
目的： 初步分析生 物医用钛合金 材料生物及力学相容 性的概念、 内涵， 指导医疗器 械产品的选型 设计 与
应用。 收稿日期：2012-12-01
修回日期：2013-03-22
方法：应用计算机检索 PubMed 、Elsiver 、Springerlink 、CNKI 及维普等数据库 1995 至 2012 年相关
(20120814006/GW ·W)
文献， 围绕“生物及力学相容性” 主题词， 探讨合金成分、 显微 组织及相变控制和材 料表面状态 优化等
因素对钛合金材料生 物及力学相 容性的影响规律。
结果与结论： 生物 及力 学相 容性是 一 个综 合评 价概 念。 进行 医用钛 合 金材 料选 型设 计时 ， 首 先要求 合
金中的组成元素无不良反应， 并保证其与组织、 血液及免疫和全身反应的安全 性， 同时 要求 所添加 元
素对钛合金的机械性能等其他性能不良影响最小。钛合金中常见的合金化元素主要包括 α 相稳定元
素、β 相稳定元素和中性元素 3 类。 要使生物医用钛合金植入材料获得优良的生物及力学相容性，对
材料内部显微组织和相变进行控制， 以及开展材料表面状态改性优化也至关重要。 但不能单纯追求一
种钛合金的低模量或高强度等某一单项力学指标与人体骨组织接近或匹配而简单判定其生物力学相
容性的优劣 。
Biological and mechanical compatibility of biomedical titanium alloy materials
1 1 1 1 2 1
Yu Zhen-tao , Han Jian-ye , Ma Xi-qun , Yu Sen , Zhang Ming-hua , Zhang Yu-sheng
1 Northwest Institute for Non-ferrous Metal Research, Xi’an 710016, Shaanxi Province, China
2 Tangdu Hospital, the Fourth Military Medical University of PLA, Xi’an 710038, Shaanxi Province,
China
Abstract
BACKGROUND: Biomechanical compatibility is the key factor for the research and development of surgical
implants and orthopedic devices. But the present research lacks systematic and common knowledge.
ISSN 2095-4344 CN 21 1-581/R CODEN: ZLKHA H
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于振涛， 等. 生物医 用钛合 金材料 的生 物及力学 相容性
Yu Zhen-tao ☆, M.D., Professor,
OBJECTIVE: To preliminarily analyze the concept and intension of biomechanical compatibility of biomedical
Doctoral supervisor, Northwest
titanium alloys in order to direct the designing and applying of medical devices.
Institute for Non-ferrous Metal
METHODS: A computer-based search was performed for articles related to biomechanical compatibility in
Research, Xi’an 710016,
PubMed, Elsiver, SpringerLink, CNKI and VIP databases (1995-2012) to investigate the effects of alloy elements,
Shaanxi Province, China
microstructure and its phase transformation, and surface modification on the biomechanical compatibility of
yzt@c-nin.com
titanium alloys.
Corresponding author: Yu
RESULTS AND CONCLUSION: It is a comprehensive evaluation for biomechanical compatibility. To design
Zhen-tao, Northwest Institute
biomedical titanium alloys, first, there should be no toxic alloy elements to ensure the safety in the reaction with
for Non-ferrous Metal
the tissue, blood, immune system and whole body; second, it is also required that added elements should have
Research, Xi’an 710016,
the minimum adverse effects on the mechanical properties and other performance of titanium alloys. Common
Shaanxi Province, China
alloy elements in titanium alloys include α-phase stable element, β-phase stable element, and neutral element. It
Supported by: the National
is important for better biomechanical compatibility of biomedical titanium alloys to control microstructure and
“863” Project of China, No.
phase transitions and even carry out surface modification. But we cannot simply pursue the low modulus and high
2011AA030101; the National
strength of a titanium alloy that is close or matching the human bone tissue, by which, we adjust the pros and
“973” Project of China,
cons of the biomechanical compatibility.
2012CB619102; National Key
Technology R&D Program of Key Words: biomaterials; biomaterial review; titanium alloy materials; biomedical metal materials; orthopedic
China, No. 2012BAI18B02
implants and devices; biocompatibility; mechanical compatibility; National “863” Project of China
Received: 2012-12-01
Yu ZT, Han JY, Ma XQ, Yu S, Zhang MH, Zhang YS. Biological and mechanical compatibility of biomedical
Accepted: 2013-03-22
titanium alloy materials. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2013;17(25): 4707-4714.
0 引言
生物医 用钛 合金 材料 是用 于诊断 、治 疗或 替代 人体 组织、 器官 或增 进其 功能 ，具有
高技术 含量 和高 经济 价值 的新型 医用 载体 材料 ，是 材料科 学技 术中 一个 正在 发展的 新领
域，并 已成 为人 工关 节、 骨创伤 产品 、人 工牙 种植 体等硬 组织 替代 或修 复医 疗器械 产品
[1-3]
的优选 材料 。 金属材料 是人类 生物 医学 发展 史上 最早用 于创 伤修 复和 矫形 治疗的 传 统
材料。从20 世纪30年代开始，CoCr 合金、不锈钢曾先后被用于医学领域并成为目前传
统 的 医用 金属 材料。20 世纪40 年 代， 英、 美等 国最先 尝 试纯 钛的 医学 研究 并证 实 了其 临
床 可 行性；20 世纪70 年 代后 期， 以航 空应 用为 背景的Ti6A14V 钛合 金被 应用 到医学 领域 ；
20世纪80 年 代末 期， 新型Ti6Al7Nb 和Ti5Al2.5Fe 改良 成功；20 世纪90 年代 开始， 以 美国
为主开始研究Ti13Nb13Zr 、Ti12Mo6Zr2Fe(TMZF)等新型β 型钛合金并成为全球生物医
[1-2]
用钛合 金材 料的 研究 热点 和主攻 方向 。
医用钛 合金 的发 展史 和临 床应用 反馈 结果 充分 表明 ：生物 医用 钛合 金材 料的 研究重
点和难 点仍 然是 生物 相容 性、力 学相 容性 和体 内安 全性问 题。 生物 机体 是一 个复杂 的环
境， 植入 体内 的材 料长 期 处于物 理、 化 学、 生 物、 电、 机械 等因 素的 复杂 环 境影响 之中 ，
不仅受 到组 织不 停运 动的 动态作 用， 也处 于代 谢的 反应之 中。 任何 植入 物不 应使人 体组
织中的 细胞 、血 液及 各种 器官之 间发 生化 学变 化， 以及过 敏和 炎症 反应 ，或 出现人 体对
植入物 产生 异物 排斥 反应 等。与 此同 时， 作为 外科 植入件 还要 求植 入的 医用 材料在 长期
生理环 境中 具有 良好 的力 学相容 性， 即具 有足 够的 强度、 韧性 和适 当的 弹性 模量， 以及
高度的 稳定 性( 耐 蚀、 耐磨) 和持久 的耐 用性( 疲 劳和 断裂) 等。 生物 医用 钛合 金材 料是一 个
综合交 叉领 域， 相关 研究 广泛涉 及材 料、 物理 、化 学、生 物、 医学 及先 进电 子显微 影像
与生化 分析 等多 学科 ，主 要研究 方向 包括 医用 钛合 金材料 的合 金设 计与 评价 体系， 材料
的加工-组织-性 能关 系与 人体软 、硬 组织 的相 容性 匹配， 材 料的 表面 改性(生物 相 容性、
生物功 能性 、生 物活 性、 耐磨性 、耐 蚀性 等)及 其表面( 界面)与人 体组 织的 相互作 用 规律
等。其 中， 生物 医用 钛合 金材料 的生 物相 容性 及力 学相容 性研 究至 关重 要， 这是确 保钛
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于振涛， 等. 生物医 用钛合 金材料 的生 物及力学 相容性
合金材料在体内长期安全稳定服役并发挥治疗效果 害 作 用。 因 为任 何医 疗器械 与 人体 接触、 介入 或植入
的关键。 钛及 钛合 金之 所 以发 展成 为目 前全 球外 科植 体内后 都存 在一 定的 潜在 风险性。 天然 或合 成的 生 物
入物和矫形器械等产品生产和制造的主体医用金属 材料无 论是 与人 体组 织接 触或取 代、 修复 病变 组织 ，
材 料，除了 它具有 优于CoCr 合 金、不 锈钢的 生物相 还是采用模拟人体器官功能的人工装置暂时或永久
容性外 ， 还具 有较 低的 弹性 模量 、 良 好的 强韧 性匹 配， 替代已 基本 丧失 功能 的病 变器官， 它们 除少 数作 为 诊
以及长 期的 持久 稳定 性等 优点， 这 使得 钛合 金材 料 植 断和康 复用 途外 ，其 中大 部分是 以治 疗疾 病为 目的 。
入人体后与人体骨骼硬组织的生理与力学环境更容 由于它 们间 接或 直接 与人 体组织 和血 液相 接触， 而 人
易和谐 相容 。因 此研 究开 发钛合 金等 医用 金属 材料 ， 工关节、 人工 心脏 瓣膜 等 要在体 内植 入几 十年 直至 失
首先应 该了 解和 掌握 其生 物及力 学相 容性 的特 点， 这 效 为 止， 因 此， 生物 医用材 料 质量 的优 劣直 接关 系到
也是确保钛合金医疗器械在体内长期服役安全性的 患者的 生命 安危， 在临 床 应用前 必须 确保 其生 物相 容
关键。 性和安 全性 。
1 资料和方法 进行医 用钛 合金 材料 选型 设计时， 首先 要求 合金
中的组 成元 素无 不良 反应 ， 同时要 求所添 加元 素对钛
1.1 资料来源 以网 络数 据库为主，查 询Pubmed、 合金的 机械 性能 等其 他性 能不良 影响 最小。 钛合 金 中
Elsiver 、Springerlink 、Highwire 、CNKI 及 维普等 数 常 见的合金 化元素主 要包括α 相稳定 元素(Al 及O 、N
据库1995 至2012年关于医用钛合金生物力学方面的 等气体 元素) 、β相 稳定 元素(Mo 、Nb 、Ta 、V 等)和中
文献，检索关键词为“biomedical titanium ， 性元素(Zr 、Sn)3 类， 其中Al 、V是 钛合 金中 最常 用的
biomechanics；医 用钛 合金 ， 生物 力学 ” 。 添加元 素，Ti6A14V 钛合金 已 成为 目前 国内 外通 用的
传 统 医用 材料， 也在 国防及 民 用中 获得 大量 应用。 但
1.2 纳入与排除标准 20 世纪80 年代中期临床应用发现V 是对生物体有潜
纳入标准：文章 内容与 医用 钛合金的 生物力 学研
在不良反应的元素，特别是V 的生物毒性要超过Ni 、
[3]
究 及 临床 应用 有关； 应是具 有 原创 性， 论 点论 据可靠 Cr ，而且此类合金的耐蚀性相对较差。20 世纪90
的实验 文章 和综 述文 章。 年代中 期瑞 士和 德国 先后 开发出 以Nb 、 Fe 替 代V的第
排除标准： 重复性研 究。 2 代医用 钛合金Ti6Al7Nb 和Ti5Al2.5Fe 并 纳入国 际生
物材料 标准， 但这 两种 合 金仍含 有对 人体 有不 良反 应
[4]
1.3 数据提取 共检 索到256 篇文献 ，其中中文文 献 的Al 和Fe 元素 ，而Ti5Al2.5Fe 钛合金 已被弃用 。近
166篇， 英文 文献90 篇， 排除与 研究 目的 相关 性差 及 年来 ，世界各 国先后研 究和开 发了近百 种第3 代新型
内容陈 旧、 重复 的文 献230篇 ，纳 入26 篇符 合标 准的 型医用 钛合 金材 料， 其 涵 盖了二 元到 六元 的各 个合 金
[5]
文献进 行综 述。 系列， 见表1 。
1.4 质量评价 符合纳入标准的26 篇文献中，文献 表 1 国 内外研 制的介 稳定 β 钛合 金系列
[1-11] 综述了新型医用钛合金的发展和临床应用表
合金系列 合金化学 组成
现， 文献[12-18]探讨 了医用 钛 合金 的生 物力 学调 控方
二元合金 Ti-Mo, Ti-Nb, Ti-Ta, Ti-Hf 等
法， 文献[19-26]探讨 了医用 钛 合金 的生 物力 学行 为及
三元合金 Ti-Nb-Pt,Ti-Nb-Pd,Ti-Nb-Ta,Ti-Nb-Zr,Ti-Mo-Ta,Ti-Ta-Zr,Ti
其微观 机制 。
-Nb-Hf,Ti-Nb-Sn,Ti-Mo-Nb,Ti-Mo-Sn,Ti-Mo-Hf, Ti-Ta-Fe,
Ti-Nb-Fe,Ti-Mo-Ga,Ti-Mo-Al,Ti-Mo-Ge,Ti-Mo-Ag,Ti-Mo-S
c,Ti-Cr-Cu,Ti-Nb-Fe ，Ti-Nb-Al ，Ti-Nb-O 等
2 结果
四元合金 Ti-Nb-Ta-Zr,Ti-Nb-Ta-Sn,Ti-Nb-Mo-Zr,Ti-Mo-Zr-Sn,Ti-Mo-
Zr-Fe,Ti-Mo-Zr-Al,Ti-Mo-Nb-Sn,Ti-Mo-Ga-Nb,
Ti-Ta-Zr-Fe, Ti-Mo-Nb-Si,Ti-Mo-Nb-O 等
2.1 生物医用钛合金材料的生物相容性 生物相容性
五元合金 Ti-Mo-Nb-Zr-Sn,Ti-Mo-Al-Nb-Si,Ti-Nb-Sn-Ta-Pd,
Ti-Nb-Zr-Ta-O 等
是指材 料与 生物 体之 间相 互作用 后产 生的 各种 生物 、
六元合金 Ti-12Ta-9Nb-3V-6Zr-1.5O,Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr-1.2O,
物 理、 化学 等反 应或 耐受能 力， 即材 料植 入人 体后与
Ti-Fe-Mo-Mn-Nb-Zr 等
人体的 相容 程度， 也就 是 说是否 会对 人体 组织 造成 毒
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于振涛， 等. 生物医 用钛合 金材料 的生 物及力学 相容性
根据纯金属及其合金的生物相容性测试可以发 他力 学性能的 匹配。例 如，Al 、V 元 素对钛合 金的强
现，V 、Cd 、Co 、Hg 、Cr 、Ni 等元 素对 细胞 的接 触 化 非 常有 效， 但 降低 了材料 的 塑韧 性， 又 提高 了弹性
[3, 6]
毒 性 较强，Al 、Fe 元 素次 之， 见图1所示 ；可 以 看 模量， 因此 医用 钛合 金应 避 免采用 或少 量加 入。 但Zr 、
出，Ti 、Zr 、Mo 、Sn 、Ta 、Nb 、Pd 、Hf 等属 于生 物 Nb 、Ta 、Mo 、Hf 、Sn 等元 素 能够 使钛 强化 而对 塑韧
医用钛 合金 设计 中常 用的 合金添 加元 素， 易 于提 高 或 性不利影响较小，同时有利于降低钛合金的弹性模
改善材 料的 生物 相容 性。 量 ， 可 以优 选加 入。 有关合 金 添加 元素 对钛 合金 生物
力学性 能影 响的 基本 规律 见表2 。
[10]
表 2 常 用合金 元素对 钛合金 力学 性能及生 物学的 影响
元素类 添加量 强度/ 弹性
元素 塑性 生物学性 能
型 (%) 硬度 模量
Zr 中性 1-15 ↑ ↓ O 生物相容 性好
Sn 中性 1-15 ↑ W O 有机 Sn 有 一定毒 性，合
金化后无 毒
Nb β 共晶 1-40 O ↓ O 生物相容 性好
Mo β 共晶 ≤30 ↑ W O 过量则骨 质异常， 合金化
后无毒
图 1 金 属元素 和合金 的细胞 毒性 与生物相 容性
Ta β 共晶 ≤15 O ↓ O 生物相容 性好
Hf α ≤10 ↑ ↑ ↓ 生物相容 性好
Fe β 慢共 <2.5 ↑ ↑ ↓ 必需元素， 过量损 害肝肾
析
2.2 生物医用钛合金材料的力学相容性 对于外科植
Pd β 慢共 <1 ↑ - O 生物相容 性好
析
入物用 医用 金属 材料 来讲 ， 其力学 相容 性一 般是 指 植
Au β 快共 <1 ↑ -- O 生物相容 性好
入材料( 施体) 要有足够的 强度和塑韧性， 能够将载 荷
析
Al α 替代 ≤8 ↑ ↑ ↓ 过量影响 磷吸收， 引起骨
均 匀、 连续 、 持 久地 传递到 体 内待 治疗 骨等 生物 组织
软化、贫 血和神 经紊乱
( 受体) 上， 并使 施体 与受 体 之间在 界面 处匹 配、 共 存、
V β 共晶 ≤4 ↑ ↑ O 过量(0.03 μg) 损害肝 肾
Ni β 快共 <1 ↑ ↓ O 过量(10mg) 损害呼 吸道、
协 调 的能 力。 因 此， 生物医 用 钛合 金材 料的 生物 力学
析 导致鼻癌
相容性 评价 涉及 的材 料力 学参数 应包 括强 度、 塑性 、
Co β 慢共 <1 ↑ - ↓ 过量(1.1mg) 影响心脏功
[7]
析 能
弹性模 量、 耐磨 性、 疲劳 性能、 超弹 性等 方面 ，它
Cr <2.5 ↑ - ↓ 过量(6mg)中毒 ，致 癌
是 一 个综 合评 价的 概念， 单 纯 追求 材料 的低 模量、 高
Zn β <1 ↑ - - 过量(2g) 中毒， 致癌
Cu β 快共 <2.5 ↑ - O 过量(100mg) 中毒，溶血
强度等某一单项力学指标与人体骨组织接近或匹配
析 症
都不能 简单 判定 生物 材料 生物力 学相 容性 的优 劣。 而
O α 间隙 <0.5 ↑ ↑ ↓ 必需元素 ，有益
N α 间隙 <0.5 ↑ ↑ ↓ 必需元素 ，有益
“生 物力 学相 容性 ” 自然也 包 括和 涉及 植入 材料 和周
围骨组 织弹 性形 变相 匹配 的性质， 当钛 合金 植入 物 产
注： ↑： 提高或 正比； ↓： 降低或 反比；W ： 影响度敏感， 非线 性关系； O ：
影响小， 甚至改 善 。
生超过 弹性 允许 应变 而发 生塑性 变形 时， 即 意味 着 植
入 材 料失 效， 因 此， 对于弹 性 模量 的研 究和 评价 自然
就成为 了生 物医 用钛 合金 材料研 究的 重点 。 目前市场上α 型钛合金( 纯钛系列等) 和α+β 型两
相钛合金(Ti6Al4V 、 Ti6Al7Nb 等 ) 的弹性模量
对于人工关节和牙种植体等人体骨硬组织长期 E105-110GPa 与骨组织1-30GPa 相比仍有较大差
[3]
替 代 类产 品， 医 用钛 合金材 料 应同 时满 足高 强度、 低 距，容 易产 生“ 应力 屏蔽 ” ，可引 起骨 吸收 、萎 缩
弹 性 模量 和优 良的 抗疲 劳性 能、 耐磨 和耐 蚀性 能， 以 直至假 体松 动等 一系 列并 发症。 而新 型介 稳定β 型[ 包
及良好加 工塑 韧性 等综 合力 学 性能 ， 但要 完全 满足上 括亚稳定β 型和近β 型( 也 称富β 的α+β 型) 两种类型] 钛
述 条 件又 是一 个技 术难 题。 通常 条件 下， 提高 材料强 合金是 一类 容易 达到 低模 量化、 高 强韧 性及 抗疲 劳 断
度 ，其材 料硬度/ 耐磨 性、疲 劳强度 和弹性 模量 将增 裂等优良综合力学性能匹配并与人体软硬组织生物
[8]
及力学 更加 相容 的先 进医 用金属 材料 ，该类 材料 可
加 ， 而 材料 的塑 韧性 将降低 。 上 述矛 盾规 律使 得工程
应用中有时必须牺牲材料的部分力学强度来保证其 以将 合金中亚稳定β 相或马氏体 组织等不稳定 相保留
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于振涛， 等. 生物医 用钛合 金材料 的生 物及力学 相容性
到室温 ，从 而使 得材 料具 有良好 的加 工塑 型、 韧性 ； 主要原因也是传统钛合金材料化学不稳定并引起生
然后通过后期加 工和( 或) 热处理调整其显 微组织和 微 物学上的炎性反应和纤维包囊等；而Ti6Al4V 钛 合金
观结构 ，使 材料 的强 度、 韧性、 弹性 模量 、耐 磨性 、 植入材 料表 面状 态欠 佳， 诸如耐磨 性差 或外 加涂 层脱
耐蚀性 及疲 劳等 性能 得到 大幅调 整和 改善。 这是 因 为 落、 降解 等也 会导 致植 入 体与骨 组织 之间 不能 实现 化
这类钛 合金 材料 “ 加工 及 热处理 窗口 ” 宽， 其综 合力 学紧密 结合 等。
学性能匹配可以根据不同用途和需要而通过特定的
加工、 热 处理 及显 微组 织 调整来 实现 。 截至 目前 ， 世 医用钛合金的发展历史及临床跟踪研究结果充
界各 国开发成功的 新型介稳β 钛 合金主要包括 美国开 分表明， 医用 金属 材料 的 研究开 发应 同时 考虑 其生 物
发的Ti13Nb13Zr 、TMZF 、Ti15Mo ，日本开发的 相 容 性、 力 学相 容性 和植入 物 安全 性等 问题。 因为医
Ti29Nb13Ta5Zr ，德国开发的Ti30Ta ，中国开发的 疗 器 械种 类繁 多， 服 役环境 和 用途 不同， 因此 对植入
TiZrMoNb(TLE) 和 TiZrSnMoNb(TLM) 和 Ti24Nb4 材料的 生物 和力 学性 能要 求也不 尽相 同， 单 纯追 求 某
[1 ，9-10]
。
Zr7.6Sn(Ti2448) 等 个医学 或力 学性 能指 标高 低优劣 有失 偏颇。 如人 工 关
节、牙 种植 体和 血管 支架 是 3 类在 人体 长期 植入( 设
3 讨论 计 使 用寿 命超过 15 年) 的 典型医 疗器 械， 其中 人工 关
节、牙 种植体要求在保 证具有足 够强度( 一般不低 于
医疗器 械与 人体 接触、 介 入或植 入体 内后 对宿 主 700 MPa) 的同 时弹性 模量尽 可能与 骨组 织接近 ，而
人体 的影响是 一个非常 复杂的 过程，主 要发生4 种生 血管支 架则 要求 在保 证其 具有足 够支 撑力(900 MPa)
物 学 反应 ， 包括 组织 反应、 血液 反应、 免疫 反应 和全 的同时 必须 具有 优良 的顺 应性， 即 弹性 模量 要适 当 提
身反 应，见表3 所示 ，而这些生 物学反应 在临床上 也 高 。 目前 临床 大量 在用的 316L 、CoCrMo 合金 冠状
可能会 出现 以下 并发 症： 渗出物 反应 ，感 染， 钙化 ， 动脉血 管支 架的 弹性 模量 在 190 -230 GPa 之 间，而
血 栓 栓塞， 肿瘤 ， 其 中感染 是 外科 植入 器械 在治 疗上 具 有 较低 模量的 TiNi 超弹 性 合金 曾最 早设 计用 于自
最常见 的主 要并 发症 之一 ，其发 生率 为1% -10% 。 扩式冠 状动 脉血 管支 架， 后因其 支撑 力较 低且 过于 柔
顺而转 向其 他非 血管 支架 应用如 食道 、胆 道支 架等 。
因 此， 在保 证生 物相 容性和 安 全性 前提 下， 如 何实现
表 3 生 物医用 钛合金 材料在 体内 的生物相 容性反 应
医用钛合金植入材料在体内的优良生物力学相容性
和综合 力学 适配 性至 关重 要。随 着钛 合金 人工 关节、
生物相容 性
生物相容 性反应
牙 种植体等 高端 3 类 医疗器 械产品的 问世和 不断普
评价类型
及，使 得临 床治 疗从 早期 初级的 简单 “修复 、矫 形”
组织反应 细胞黏附， 炎细胞 反应， 细 胞增殖 或异常 分化， 形成 囊膜( 假
治 疗， 上升 到当 今更 高层次 的 人体 组织 与器 官 “替代
内膜) ， 细胞质 的转变 或诱变 并最终 致癌
血液反应 蛋白黏附， 溶血反应 ，白细 胞反应， 细 胞因子反应 ，凝血
式” 治 疗。 由 于这 类产 品需 要 在体 内长 期留 存， 对其
系统激活， 纤溶系统 激活，血 小板黏附 激活，血细 胞和
生物及 力学 相容 性的 要求 就更加 严格， 若这 类器 械 提
纤维蛋白 形成血 栓，血 栓破裂 、流动 并 致栓塞
免疫反应 补体系统 激活 ， 淋巴 细胞亚 群的变 化， 体 液免疫( 抗原- 抗体)
前产生 松动 或断 裂等 失效 现象， 开 展二 次手 术将 势 必
反应，细 胞免疫 反应
增 加 患者 痛苦 和经 济负 担。 因此 ， 要 使生 物医 用钛合
全身反应 上述 3 种反 应会形 成局部 毒性反 应，进 而引起全 身毒性 反
应 ，同时进 入体内的 一些毒性 物质也可 诱发分子突 变，
金植入 材料 获得 优良 的生 物及力 学相 容性， 除了 需 要
甚至形成 癌变
严格设计和选择无不良反应的合金添加元素并保证
材 料 冶金 及加 工质 量外， 对 其 内部 显微 组织、 微观结
20 世纪 80 年代 末临 床医 生对Ti6Al4V 人工 髋关 构进行 控制 和对 材料 表面 状态改 性、 优 化处 理也 是 两
节实施 翻修 手术 时， 已 经 发现其 假体 周围 骨组 织有 致 种重要 技术 手段。 对材 料 内部显 微组 织和 相变 进行 控
炎 感 染和 黑化 现象， 俗称金 属 病。 而 术后 ≥90% 的人
制以及 开展 材料 表面 状态 改性优 化也 至关 重要 。
工关节 假体 最终 都需 要翻 修， 无菌 松动 是主 要原 因 并
[11]
占 所有翻 修手术的 80% ， 牙种植 体等植 入器械 也 3.1 显微组织和相变控制 钛 具有同 素异构转 变， 在
存在类 似问 题。 造 成人 工 假体松 动原 因除 了外 科植 入 882.5 ℃ 以下时为密排六方晶体结构的α-Ti( 晶格常
体与骨 组织 之间 弹性 模量 及综合 力学 性能 不相 容外 ， 数C 、n 分别为 0.468 43 nm 、0.295 11 nm) ，在
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于振涛， 等. 生物医 用钛合 金材料 的生 物及力学 相容性
882.5 ℃ 以 上时 为体 心立方 晶体 结构 的β-Ti( 晶格 常
数a 为 0.330 65 nm) 。 钛合 金退火 后组 织可 分为α型、 与常规 致密 材料 相比， 具 有微纳 米结 构的 超细 晶
近α型、α+β 型及β 型 4 大 类，有 些情 况下β 型可 再细 材 料 通常 具有 较高 强度、 硬 度 和更 长的 疲劳 寿命， 耐
分为近 亚稳 定β合金 、 亚稳定β合 金及 稳定β 合金 3 种。 磨性也 更好， 一些 合金 材 料还表 现出 更好 的抗 腐蚀 性
[6-7]
其中β 型钛合金的弹 性模量最低 ，更接近人体 骨的弹 能 ， 更为重 要的是， 有研究 表明纳米晶 钛合金 材
[7,15-16]
性模 量，因此，β 型 钛合金作为 生物医用材料 具有更 料的弹性模量也会进一步降低 。而根据人体骨
大的优 势。 可 以通 过热 处 理和合 金化 来实 现对 钛及 其 骼内部 组织 具有 多孔 性和 纳米尺 度的 特点， 钛合 金 多
合金 室温相组成的 控制。由于 介稳定β 型钛合 金中高 孔化处 理后 可有 效降 低其 弹性模 量， 可 以通 过改 变 孔
温β 相经固溶处理后快速冷却时会形成介稳β 相 或马 隙率、 孔径 等参 数调 整其 强度和 弹性 模量 综合 匹配 ，
氏体α’ 、α″ 等中间相( 过 渡相) ，随后低温时效时又将 充分利 用其 开放 的通 孔结 构促进 骨细 胞的 黏附、 长 入
会分解 形成 二次 析出 相(如次 生α相、ω 相等)，或 利 用 及与骨 组织 再生 重建。 具 有微纳 米结 构的 钛合 金超 细
晶材料 强度、 硬度 、 疲劳 寿命及 耐磨 、 耐蚀 性较 其 粗
介稳β 相 应力 诱发 形成 马氏 体或孪 晶， 就有 可能 实现β
型钛合金的弹性模量宏观调控并达到优良的力学相 晶 材 料也 会得 到大 幅提 高或 改 善， 因 此， 钛合 金多孔
[12-14]
容性 。 研究发现， 对 提高钛 合金 弹性 模量 影响 程 化和微纳化处理也为钛合金外科植入材料的力学相
[16-17]
度按相 结构 依次 为ω>α’>α>β≈α″ ； 而对 提高 其显 微硬 容性优 化指 明了 一条 新方 向 。
度影响 度按 相结 构依 次为ω>α’>α>β>α″， 也有 学者提
[15]
出其他 定量 规律 如E =1.5E 、E =2.0E 。因此， 3.2 表面状态优化 随着材料科学 与生物医学、 化
α β ω β
控制适当比例的α 相和β 相 合金，巧妙利用ω ，α’ ，α″ 学、 物理 等学 科的 渐 进交叉 发 展， 外 科植 入材 料研究
中 间 相， 可 使钛 合金 强度、 模量 和塑 韧性 达到 一个较 已从被 动适 应生 物环 境向 功能性 半生 命方 向、 组 织 学
好的综 合匹 配。 介稳 定β型钛 合 金中 高温β相在 固溶 处 适应、 诱 导及 参与 生物 体 物质和 能量 交换 的功 能性 等
理时会形成一系列亚稳中间相( 诸如介稳β 相和马氏 主 动 修复 和再 造方 向发 展。 因此 从仿 生原 理、 组织工
体α’ 、α″ 等)， 在 随后 低温时 效 时将 会分 解形 成二 次析 程 原 理、 基 质控 制矿 化等思 路 出发， 在分 子层 面研究
出相(如次 生α相、ω相等) ， 而这 些不 同合 金相 或显微 材 料表面 多尺度 结构 设计及 其与肌 体组织 之间 表面/
组织对 钛合 金的 力学 性能 影响规 律及 程度 有所 不同 ， 界面的 相互 作用 与微 观机 制， 以提 高医 用钛 合金 材 料
例如：对提高钛 合金弹性 模量E 值影响程 度按相结 构 的生物 及力 学相 容性 和植 入安全 性， 将 是今 后医 用 钛
依次大 体为ω>α’>α>β≈α″ ； 而 对提 高其 显微 硬度 影响 合金等生物材料研究发展的重要方向。在生理环境
[13-15]
度按相结 构依 次大体为ω>α’>α>β>α″ ，也有学 中， 植入 材料 与骨 骼机 体 组织之 间的 相互 作用 总是 发
[15]
者提出 其他 定量 规律 如E =1.5E 、E =2.0E 。因 生在材 料表 面， 材 料表 面 的物理 化学 特性 必然 直接 影
α β ω β
此， 控制 适当 比例 的α 相和β相合 金， 巧妙 利用ω ，α’ ， 响到组 织的 愈合 。 同时 ， 机体 环境 也可 作用 于材 料表
α″中 间相， 可使 钛合 金强度 、 模 量和 塑韧 性等 达到较 面 ， 并 使之 发生 化学 腐蚀、 降解、 变性 等反 应及 功能
好的综 合匹 配， 进而 提高 和改善 其力 学相 容性 。 退 化 等作 用。 因 此， 研究生 物 材料 的表 面状 态和 特性
也是改 善或 提高 植入 材料 生物活 性、 生 物及 力学 相 容
另一种调整钛及其合金生物力学性能的方法是 性的有 效途 径和 重点 发展 方向。
制 成 多孔 状结 构。 与 致密材 料 相比， 孔隙 的引 入显著
降低了 钛及 其合 金的 弹性 模量， 并 且多 孔钛 的强 度 和 为 缩 短种 植后 愈合 期、 提高 骨 整合 效果， 有关 钛
模量可 以通 过改 变孔 隙率 调整， 强 化了 材料 在力 学 相 表 面 活性 化处 理的 研究 日益 得 到重 视。 因 此， 钛的表
容性方面 的优 势， 实 现材料 力 学性 能有 效调 控。 另外 面活性 化处 理具 有表 面仿 生钙磷 涂层， 可提 高骨 性 结
开放的 通孔 结构 有利 于体 液的传 输， 促 进组 织再 生 与 合能力， 天然 骨主 要由 具 有纳米 结构 的羟 基磷 灰石 组
重 建， 加快 痊愈 过程 ， 使钛 及 其合 金能 在保 持一 定强
成 ， 对 于骨 科和 齿科 应用而 言， 设计 和获 取材 料具有
度 条 件下 实现 材料 与骨 弹性 模 量的 匹配。 同时 ， 多孔 纳米尺 度的 粗糙 度表 面显 然很有 必要。 它主 要包 括 两
状钛合金粗糙的表面几何结构可以促进新骨组织长 个方面 的内 容， 一 是获 得 能与骨 形成 骨性 结合 的活 性
入 孔 隙， 不 仅加 强了 植入体 与 骨的 生物 固定， 还可以 表面，二 是实现 钛表面 磷 灰石涂层 的自生 。Webster
[21]
使应力 沿植 入物 向周 围骨 传递。 等 验证了细胞对材料表面纳米尺度粗糙度变化的
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响应相 对于 传统 平滑 表面 粗糙度 的变 化更 敏感， 即 表 家 973 计划(2012CB619102) 、国家科技支撑计划
面纳米拓扑结构对成骨细胞的增殖和分化具有重要 (2012BAI18B02) 。
影 响： 随着 材料 表面 粗糙度 和 无规 则度 增加， 比表面 作者贡献： 于振涛进行设计 ， 实施为韩建业和麻西群， 评
积及表 面能 提高， 细胞 分 化和细 胞外 基质 合成 能力 增 估为张明华和张于胜， 资料收集为余森， 于振涛成文 ， 余森审
加 ， 同 时对 应着 成骨 细胞诸 如 黏附、 增殖、 碱性 磷酸 校，于振涛对文章负责。
酶 活 性及 含钙 矿物 质沉 积能 力 的提 高。 因 此， 表面纳 利益冲突： 课题未涉及任何厂家及相关雇主或其他经济组
米化有利于提高钛合金表面活性，改善其生物相容 织直接或间接的经济或利益的赞助。
性。 且已 有研 究证 明纳 米 化钛合 金能 明显 促进 成骨 细 伦理要求：未涉及与伦理相冲突的内容。
[19]
胞的早期黏附 。另外， 钛合金中Zr ，Nb ，Ta 等元 作者声明： 文章为原创作品， 数据准确， 内容不涉及泄密，
素易形 成ZrO 、Nb O 、Ta O 等表面 氧化 膜， 其致 无一稿两投， 无抄袭 ， 无内容剽窃， 无作者署名争议 ， 无与他
2 2 3 3 5
密表面 不仅 可抑 制金 属离 子溶出 、 提高 耐蚀 性， 还 提 人课题以及专利技术的争执，内容真实，文责自负。
[20]
高了植 入材 料的 耐磨 性能 ， 因此 将表 面纳 米化 技术
应用到 人工 关节、 牙种 植 体等硬 组织 替代 产品 与骨 接 4 参考文献
触的界 面， 将有 希望 减少 或延缓 假体 松动 的发 生。
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热 点， 其重 要目 的就 是在确 保 材料 良好 的 “生 物相容
[3] Long M,Rack HJ.Ti tanium alloys in total joint replacement—a
性” 的 同时 提高 其生 物活性 。 目 前采 用微 弧氧 化技术
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[11,18-19]
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[8, 20]
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之间， 而添 加Nb 、Zr元素的 钛 合金 表面 易形 成一 层耐
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2 5 2
biomedical applications. J Mech Behav Biomed Mater.2008;
[11]
好 的耐 蚀性 ，这也同时促进了含Nb 、Zr 元素 的新 1(1): 30-42.
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[11]
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有重要 影响， 研究 发现 材 料表面 超细 晶化 后具 有较 高
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[21]
强 度、 疲劳 寿命 和耐 磨性等 特 性 ， 同 时 成骨 细胞对
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更敏感 ， 而致密结 构 与多孔 结构 的差 异对 于细 胞
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分化功能的影响在一定范围内甚至可以大于材料成
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[25]
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[26]
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也高度 相关 。 因 此 将表面 纳 米化、 多孔 化技 术应用
[14] Saito T,Furuta T,Hwan JH,et al.Multifunctional alloys obtained
到人工 关节、 牙种 植体 等 硬组织 替代 产品 与骨 接触 的
via a dislocation-free plastic deformation mechanism. Science.
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界 面， 将有 希望 减少 或延缓 假 体松 动的 发生， 改善其
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