第一情报 ---材料工业

钛合金发展态势分析

供稿人:卞志昕  供稿时间:2014-9-29   关键字:钛合金  
新型生物植入体用钛合金

应用于植入体(如髋关节、牙齿根)的结构钛合金主要用于修复和替代人体的硬组织,因此,它们必须具有高强度和疲劳寿命(也即疲劳强度)。同时,为实现植入体与骨骼之间应力的均匀传递,它们还应具有与人体皮质骨接近的低弹性模量。初期,具有低模量的β型钛合金的开发主要集中在美国,而近年来日本在此领域的研究也非常活跃。目前,国际上研发成功的无毒、无过敏性合金元素的β型钛合金包括:Ti13Nb13Zr,Ti12Mo6Zr2Fe,Ti12Mo5Zr5Sn,Ti15Mo,Ti16Nb10Hf,Ti15Mo2.8-Nb0.2Si,Ti15Mo5Zr3Al,Ti30Ta,Ti45Nb,Ti35Zr10Nb,Ti35Nb7Zr5Ta,Ti29Nb13Ta4.6Zr (TNTZ),Ti8Fe8Ta和Ti8Fe8Ta4Zr等,它们主要用于人工髋关节、人工牙齿根、接骨板和螺钉、植入棒(脊柱内固定器械用的主要元件)等生物植入体。这些钛合金均具有较低的弹性模量,有利于植入体与骨骼之间的应力缓冲和均匀传递。近5年来,日本将研究重点放在诸如Ti-10Cr-Al、Ti-Mn、Ti-Fe-Nb-Zr、Ti-Sn-Cr、Ti-Cr-Sn-Zr 等低成本生物医用钛合金上,他们还研制了Ti-30Zr-Mo合金,用于可拆卸的植入体。同时,他们还研发了Ti-30Zr-(Cr, Mo)与 Ti-12Cr合金。俄罗斯研发了一种新的医用钛合金,即Ti51-Zr18Nb,它具有低的弹性模量(47 GPa)和高的可逆变形量(2.83%)。美国也开发了多种低模量的β 钛合金,其中替代髋关节的较理想的合金为Ti-35Nb-7Zr-5Ta(Ti-Osteum)和Ti-13Mo-7Zr-3Fe(TMZF),而TMZF合金具有更低的弹性模量,接近于人体骨骼模量的低弹性模量。

用作功能生物材料的超弹性和形状记忆钛合金

生物医学的某些用途还需要钛合金材料具有超弹性和形状记忆的功能,一些生物医用钛合金显示超弹性行为的机制还未确定。TiNi是目前唯一投入实际应用的形状记忆合金,已成功应用于支架、导管导丝、正畸线等矫形外科领域。最近,一种新的技术被开发用于生产多孔TiNi合金,该技术的主要特点是混合预合金化的TiNi 粉末和聚合物粉末以及发泡剂,这种方法能够很好地控制孔径和孔隙率。多孔TiNi 可获得与人体骨骼内的缩孔大小相当的孔径,其孔隙率可在50%~70%之间变化,通过调节孔隙率,它的弹性模量可控制在2.6~4.6GPa,这一数值与人体骨骼内的骨松质的弹性模量类似。为了使生物医用钛合金同时具有低模量、超弹性和形状记忆的功能,近年来,不含毒性和过敏性元素的超弹性和(或)形状记忆β型钛合金也被陆续开发。


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