形状记忆钛合金在生物医用领域的研究进展

钛及其合金具有优良的生物相容性、力学性能和抗腐蚀性能，使其适于作为生物医用材料使用。钛首次被引入医学领域可追溯到20世纪40年代；随后，有学者报道了利用纯钛来制造植入物器械。20世纪60年代Buehler等人发现了钛镍（TiNi）合金的形状记忆效应，此后，镍钛合金被广泛应用于生物医学领域的各个分支。20世纪70年代，Baker首次报道了β型钛合金在特定条件下的形状记忆效应，这一效应更加拓宽了钛合金在生物医用材料领域的应用前景。

目前，用于生物医学领域的形状记忆钛合金仍存在生物毒性、生物力学相容性、弹性模量等方面的缺陷，国内外学者对此进行了大量研究，主要有2大方向：一是开发新型不含镍的形状记忆β型钛合金，二是对现有钛合金材料进行表面改性，降低其生物毒性，从而更适合于生物医学应用的要求。

一、无Ni形状记忆β型钛合金

在设计新型无Ni形状记忆β型钛合金时主要应当考虑：合金元素是否具有生物相容性，合金元素是否为β相稳定元素，合金元素是否能提高β型钛合金在生物体中的抗拉强度、耐磨性等使用性能，合金元素是否能进一步降低β型钛合金的弹性模量。研究表明，铌（Nb）、钽（Ta）、锆（Zr）、锡（Sn）、钼（Mo）等β稳定元素对机体无毒、不致敏，且可以提高强度和降低弹性模量，同时，Nb、Ta、Mo等元素易于与钛合金化且可降低毒性，被认为是最佳的合金元素。

1.Ni-Zr系形状记忆β型钛合金

Zr元素与钛基体进行合金化，可以提高合金的强度。Yu等人[1]报道了一种新型Ti-3Zr-2Sn-3Mo-15Nb合金，并研究了其在不同温度、外力、热处理等条件下的形状记忆效应和超弹性，该合金具有低弹性模量、高强度等优点。该合金的形状回复率几乎不受变形温度影响，但受到载荷和变形次数的影响。

李岩等人[2]研究报道了一种兼具宽温域超弹性、高温形状记忆效应和生物安全性的新型Ti-Zr基形状记忆合金。在Ti-20Zr-10Nb合金基础上，通过添加合金元素Ta，制备出Ti-20Zr-10Nb-（2～4）Ta新型四元Ti-Zr基形状记忆合金，通过不同的热处理工艺，使其具备宽温域（-196℃～135℃）超弹性和高温形状记忆效应。

操光辉[3]等人公开了一种钛锆钽形状记忆合金材料，按照合金材料各组分的物质的量的百分比来计算，由45.5%～48.5%（原子百分数）的钛、45.5%～48.5%（原子百分数）的锆以及3%～9%的钽组成，该合金材料在室温下的抗压强度为1 200～1 350MPa，断裂变形量为12%～28%；拉伸强度为610～890MPa，断裂变形量为14%～21%，塑性变形量为9%～16%，拉伸时钛锆钽形状记忆合金材料的形状记忆效应为0.2%～8.6%。

2.Ni-Mo系形状记忆β型钛合金

金属Mo具有硬度高、力学性能优异等优点，并能提高合金的耐腐蚀性能。

Wu等人[4]公开了一种形状记忆钛合金组合物：约8%～10%的钼、约2.8%～6%的铝、高至2%左右的铬、高至2%左右的钒、高至4%左右的铌，余量是钛；其中百分比是基于合金组合物总重的质量百分比。由该β钛合金制造出的物件包括正畸用弓形金属丝、牙科植入物、医用展幅机、滤器、衬垫、外科工具、整形用假体等。

Li等人[5]公开了一种具有低弹性模量和高强度的β型钛合金，包含6%～13%（质量分数）Mo、0.1%～3.9%（质量分数）铁（Fe）、余量的钛和不可避免的杂质。该钛合金具有大于或等于1 300MPa的拉伸强度和小于或等于95GPa的弹性模量。其中，所述钛合金具有大于或等于1 300MPa的拉伸强度和小于或等于95GPa的弹性模量。铝（Al）的添加可以提高加工性、成型性、铸造性等，并可以提供可应用各种热处理技术以获得强化效果的优点。

3.Ni-Ta系形状记忆β型钛合金

Ti-Ta合金具有形状记忆效应，且生物相容性好，但是合金的弹性模量相对人骨还是太高，作为植入材料可能会出现“应力屏蔽”，影响了合金的应用[16]。

马云庆等人[6]公开了一种低弹性模量钛钽锆形状记忆合金的组成，其按质量百分比的含量为：钛39%～51%、钽40%～55%、锆3%～12%。该合金通过添加一定量Zr元素降低合金的弹性模量，使该合金具有较低的弹性模量和良好的记忆效应。

4.Ni-Nb系形状记忆β型钛合金

Nb元素是重要的β稳定元素，在强化合金的同时，还能保持较高的塑性。

Brailovsky V I[7]报道了一种具有形状记忆效应的钛合金骨植入材料，合金元素组成以质量百分比如下：Ti为71.0%～74.0%，Nb为19.0%～23.0%， Ta和/或 Zr为4.0%～9.0%。在室温下该合金材料具有的相结构使得该合金呈现不超过25GPa的低弹性模量。

袁斌[8]公开了一种高可恢复应变的Ti-Nb-O记忆合金及其制备方法。该方法把纯Ti粉、Nb粉、二氧化钛（TiO2）粉和TiH2粉按照Ti原子、Nb原子和O原子和H原子比为（77～91）∶（8～18）∶（1～3）∶（0～5）混合均匀，压制成型，得到生坯；生坯放入烧结炉中，在保护气体氛围下进行烧结，得到烧结态的Ti-Nb-O合金；Ti-Nb-O合金放入管式炉中，在氬气保护下进行固溶处理，固溶态的Ti-Nb-O记忆合金放入管式炉中，在氩气保护下进行时效处理，接着在冰水中快速冷却得到高可恢复应变。所述Ti-Nb-O合金展现出低的弹性模量、极高的压缩强度和较高的可恢复应变，适合用于医用硬组织替换和修复材料。

赵明威等人[9]基于硬组织置换材料应用目的，开发了具有形状记忆性能的新一代生物医用Ti-7.5Nb-4Mo-2.5Sn合金。实验基于粉末冶金工艺，以碳酸氢氨为造孔剂制备了Ti-7.5Nb-4Mo-2.5Sn形状记忆多孔合金。同时对该多孔合金微观组织结构、孔隙度和孔径分布进行了研究。

5.其他合金元素体系形状记忆β型钛合金

石冬喜[10]公开了一种形状记忆合金材料及其制备方法，所述的形状记忆合金材料的质量百分比分别如下：Sn为0.5%～1.1%、Ni为1.5%～4.5%、Cr为0.4%～1.0%、W为0.3%～0.8%、Nb为0.8%～1.9%、Mn为2.2%～4.5%、余量為Ti。制备方法包括以下步骤：①按质量百分比分别取上述材料；②将步骤①的各种记忆合金材料成分都投入真空电弧炉中，将电弧炉抽真空，抽真空后升高真空电弧炉温度进行加热熔炼，熔炼成为记忆合金锭，冷却至室温，制备得到形状记忆合金材料。

二、表面处理

对已开发出的钛合金进行表面改性，以抑制毒性元素的释放，增强合金的生物相容性和机械性能从而达到生物医学领域使用的标准是目前研究的热点。近年来的研究报道主要集中在物理改性法、化学改性法以及生物化学方法。物理改性法包括等离子喷涂法、离子注入法、气相沉积法、镀类金刚石薄膜法、激光熔覆法等，化学改性法包括酸碱处理法、微弧氧化法、溶胶-凝胶法、水热法等，生物化学方法包括仿生溶液生长法、自组装法等。

1.等离子喷涂

20世纪90年代初期，R Y Whitehead首次公开了在钛合金基体上喷涂具有生物活性的羟基磷灰石（HAP）涂层材料，使金属表面具有生物活性，目前，这种方法已在临床上得到广泛应用。然而等离子喷涂羟基磷灰石涂层具有易降解，使用寿命短等缺点，其临床使用效果仍有待改善。

蒋立坚等人[11]在钛合金种植体表面用低压等离子喷涂技术进行喷涂得到具有高度稳定性，且其生物活性保持良好的涂层。该涂层以基体为基底，由里向外各层的成分分别为：钛粉层；钛粉和羟基磷灰石混合层，且二者的体积比为6∶4；钛粉和羟基磷灰石混合层，且二者的体积比为4∶6；羟基磷灰石层。将所述涂层用于处理种植体表面，可以降低涂层材料与种植体之间的热膨胀系数、弹性模量差值，从而使涂层的残余应力降低，与种植体的结合强度升高，降低造成材料断裂的驱动力，阻止裂缝产生；而运用低压等离子技术进行喷涂，降低了涂层的孔隙率，并提高了涂层与种植体基体的结合强度。

宋磊等人[12]将含有一定量抑菌材料的羟基磷灰石悬浮液作为等离子喷涂原料，以生物医用钛合金材料作基底，通过对悬浮液的注入，悬浮液与高温等离子喷嘴喷射的火焰发生热交换，随后经过悬浮液中液体的蒸发和悬浮液中颗粒的破碎、熔融和沉积，直接在基底表面生成兼具抑菌性和生物活性的含有银离子的羟基磷灰石涂层。制备出的涂层拥有更良好的均匀性，不易造成抑菌材料的高温分解，具有可调控的孔隙率和孔隙大小，从而利于抑菌成分的释放。

2.离子注入法

离子注入法是将高能量的离子束入射到材料以后，由于离子束与材料中的原子或分子发生一系列物理的和化学的相互作用导致入射离子的能量逐渐损失，最后停留在材料中，引起材料的表面成份、结构和性能发生变化，从而使材料的表面性能得到优化，或能够获得某些新的优异性能。

李岩等人[13]使用Nb离子注入沉积对医用TiNi形状记忆合金进行表面改性，该表面改性的方法复合了离子注入和离子束增强沉积2种方法，其中经离子注入方法形成的过渡层主要由TiO2和五氧化二铌（Nb2O5）组成，而离子束增强沉积方法则是在过渡层基础上形成了一层纯Nb金属薄膜层。通过上述改性后的形状记忆合金可以完全阻止Ni离子从基体中溶出，同时能够保持基体的形状记忆效应，并具有改善的耐蚀性，生物相容性。

曹辉亮等人[14]采用等离子体浸没离子注入处理工艺将银离子和钙离子共注入钛基材表面，其中所述共注入为同时激发分别以纯银和纯钙为阴极的2个阴极脉冲弧源进行等离子体浸没离子注入。该方法可用于改善可植入医疗器械（如人工骨、人工关节和牙种植体）表面的成骨和抗菌性能，这样所制备的改性后的材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均具有显著抑制效果，且其对成骨相关细胞（BMSCs、MG63细胞）粘附和增殖具有显著促进作用。

3.微弧氧化法

相对于阳极氧化法，微弧氧化法形成的陶瓷薄膜更加致密，与基体的结合强度更高，且具有优异的耐磨耐蚀性能、较高的硬度和绝缘电阻。

于振涛等人[15]先将待处理医用钛或钛合金样品表面处理后浸没在含有可溶性氟化物的乙二醇水溶液中进行阳极氧化处理，再将经阳极氧化处理后的医用钛或钛合金样品置于AgNO3溶液中浸泡，取出后用紫外光辐射处理，得到载银的医用钛或钛合金样品，最后将对载银的医用钛或钛合金样品进行微弧氧化处理、超声清洗、真空干燥，得到抗菌涂层，实现了银在医用钛及钛合金表面的大量固定和长期缓慢释放，能够显著提高钛及钛合金的抗菌性能，并使抗菌效果能够长时间维持，大幅减轻或避免钛及钛合金器械植入人体后引起的细菌感染。

刘宣勇等人[16]通过微弧氧化技术原位形成在钛基金属基材的表面的多孔氧化钛涂层，以及通过等离子体浸没离子注入技术复合在多孔氧化钛涂层的氧化铁纳米颗粒，所述氧化钛复合涂层中铁元素的含量为1%～15%，与基体结合强度高，化学性质稳定，具有多孔结构，有利于新骨的生长，比现有的氧化钛涂层具有更好的生物相容性。

王振霞等人[17]首先将钛镍合金基体作为工件，用机械和化学混合方法消除工件表面的氧化膜；其次，使用等离子表面合金化技术对工件表面沉积钛；再次，在微弧氧化设备中对工件进行微弧氧化；最后，工件经超声清洗、干燥，从而得到钛镍医学植入材料，其在钛镍合金基体表面分别具有钛、二氧化钛及三氧化二铝混合氧化物的陶瓷膜。该钛镍医学植入材料可有效地隔离钛镍合金中镍元素的析出，微弧氧化处理后的钛基表面陶瓷膜层具有表面空洞少、硬度高、耐蚀性强、绝缘性好、膜层与基底金属结合力强等优点。

4.其他方法

（1）溶胶-凝胶法

陈显春等人[18]采用正硅酸乙酯、水、六水合硝酸镁和四水合硝酸钙为原料，以溶胶-凝胶法合成了3种新型钙镁硅复相陶瓷粉体，经干压成型得材料素坯，将素坯在1 300～1 350℃烧结2h得到热膨胀系数与钛合金TC4相匹配的致密的复相陶瓷MC2，在用作钛基生物活性涂层时因2者间的本征应力减少而能够提高金瓷结合强度，另外，该陶瓷具有较好的力学性能，良好的生物活性和成骨细胞相容性，是一种潜在的生物活性陶瓷材料，可用在骨科、牙科或整形外科钛植入体的表面改性领域及人体硬组织修复和植入材料。

（2）自组装法

程先华等人[19]首先将清洗后的钛合金片在强碱性溶液中进行羟基化处理；再在其表面采用自组装法制备硅烷薄膜；然后将基片放入氧化石墨烯分散液中，在其表面制备氧化石墨烯复合薄膜；最后加热还原氧化石墨烯薄膜，制备成还原氧化石墨烯复合薄膜。制得的还原氧化石墨烯复合薄膜具有優秀的摩擦学性能，无生物毒性，可用于医用钛合金的表面改性处理。

（3）激光重熔法

马晓丽等人[20]通过半导体激光器分别对医用β钛合金Ti-35Nb-2Ta-3Zr进行表面重熔处理，激光重熔的工艺参数为激光功率350～500W，扫描速度1～5mm/s，加工道次为1道次。该工艺均显著提高了低弹性模量且无毒的医用β钛合金材料表面的硬度，表面改性后的医用β钛合金表面光滑平整，不需再进行表面精加工即可用于后续工艺流程。

三、结语

将形状记忆钛合金应用于生物医学领域在合金本体材料的改进和表面性能的优化上还有很多问题有待解决，如何在避免使用无毒合金元素的同时降低合金本体材料的弹性模量，增强其耐磨性、抗腐蚀性及高断裂韧性和疲劳性能，如何将多种表面处理技术综合应用形成复合表面处理层以克服单一表面处理技术的缺陷，并对表面处理层进行结构设计，从而满足临床使用的需求是今后研究的重点方向。

形状记忆钛合金应用于生物医用材料领域至今已有70多年的历史，然而真正在临床上的使用种类极其有限，这是由于钛合金的使用寿命限制，影响其在生物体内的稳定性及远期成功率，因此，还需要进行大量的临床生物性应用实验，设计与开发外科植入制品，增加其种类并扩展其应用范围。此外，形状记忆钛合金的高成本是制约其普及化发展的一大障碍，所以要在降低制备成本方面作出努力，从而能更大规模的生产。

10.3969/j.issn.1008-892X.2017.03.007

（第二作者对本文的贡献与第一作者等同）

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