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Ti6Al4V钛合金的生物相容性

2018-06-08 11:23      点击:

 对于Ti6Al4V合金,目前对它的生物相容性有以下两种不同的看法:

  第一,尽管钛合金具有良好的生物相容性和耐腐蚀性,但是如果钛通过钝化溶解或磨损过程释放到组织中,可能会引起不同的组织反应。比较温和的反应可能是引起周围组织的褪色,而严重的反应则是引起发炎反应而产生疼痛,甚至由于骨质溶解导致关节松动。

  第二,如果在组织中出现了钛合金颗粒,其中的铝和钒也必然会出现,但是它们的生理性能与钛迥然不同。虽然有人提出通过改善钛合金中的其他成分可能会获得更好的耐腐蚀性能和生物相容性,但是通过对几种钛合金的研究并没有得出足够的证据可以支持这种观点。

  在正常的生理学条件下,不考虑磨损等其他因素,钛合金不会被破坏。但是,即使在这种情况下,仍然有一些材料会通过钝化溶解到组织中,随后金属离子和蛋白质混合物可能会导致组织病变,因此材料的钝化腐蚀速率和腐蚀行为一样重要。学者们对钛合金的腐蚀行为进行了大量的研究,采用的极限电位都在2000mV以下,并采用无空气流动的电解液,在这种情况下钛合金也会产生破坏。研究发现,磨损并不是引起植入体短期失效的主要原因,而其短期失效的主要原因是感染、关节松动和断裂。但是,磨损后的磨粒将诱导组织发炎,导致关节的无菌性松动,因此磨损是假体长期失效的主要原因。

  M.A.Khan等研究了Ti6Al4V合金和两种新型的钛合金——Ti6A17Nb和Til3Nbl3Zr的耐腐蚀性,实验中釆用了更高的极限电位,在0-5000mV范围内进行,并且在电解液中加人了氧使之更接近于生理学环境,用pH值为5、7.4和9的磷酸盐缓冲溶液,并考虑了腐蚀对磨损的影响,因此在试验中采用了滑动磨损。研究发现,尽管纯钛和近p相的Til3Nbl3Zr以及p相的Til5Mo合金具有最佳的耐腐蚀性能,但是a+相的Ti6Al4V合金和Ti6A17Nb将耐腐蚀性能和耐磨损性能结合得最好。

  金属材料植入人体后,与骨组织结合的方式可分为三类:

  第一种是形态固定(morphologicalfixation),为生物惰性材料与骨组织的机械嵌合,其应力传递是不连续的;

  第二种是生物固定(biologicalfixation),为生物惰性多孔材料与骨组织的机械嵌合与表面交联,其应力传递也是不连续的;

  第三种是骨键结合(bonebonding),又称生物活性结合(bioactivefixation),是具有生物活性的材料与骨组织之间无软组织中介的、光学显微镜水平下的直接接触,其应力传递是连续的,是需长期存在体内的植入物的最佳结合模式。

  为了提高医用钛合金的各种性能,可以从两方面入手:

  一是从材料本体着手,如前所述开发各种性能优异的新型钛合金;

  二是从材料的表面入手,采用各种表面处理的方法对钛合金进行表面改性,从而使其更适合于医学应用的要求。

  对钛板及钛合金进行表面改性,既保持了钛合金作为基体材料的一系列品质,又使得钛合金的综合性能获得大幅度的改善,因此,近年来成为医用钛合金领域的研究热点。随着离子注入、等离子喷涂、化学镀、离子镀、PVD、CVD、微弧氧化、激光熔敷等技术的发展,可以在钛合金表面形成耐磨、耐蚀等陶瓷涂层,提高表面的耐磨性和耐腐蚀性,也可以在表面形成HA、BG等生物活性涂层,还可以防止钛合金中的V、A1离子在生理环境中的释放,进一步提高材料的生物相容性。因此,研究钛合金的表面改性技术,制备具有耐磨、耐蚀性能的金属陶瓷,并研究其在生理环境下的生物摩擦学性能,对于发展高性能的人工关节,提高钛合金人工关节的使用寿命,揭示其润滑机理,进一步提高人工关节置换的稳定性和可靠性具有重要意义。


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