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新型生物醫用鈦合金的設計準則

2019-11-16

         近年來,生物材料領域提出了新的醫用鈦合金設計標準。在鈦合金設計的初始階段,它不如醫用鈦棒、鈦絲等。首先必須了解植入物的類型。對於長期植入人體後無需取出的植入物,植入物和骨骼吸收越快,結合程度越好。對於手術後需要拆卸的植入物,即植入骨髓的一種植入物,如股骨柄、脛骨、肱骨、接骨板固定螺釘和兒童植入物,為了防止鈣和磷的沉澱導致植入物長入骨骼,日本學者開發了一係列具有高強度、低彈性模量和優異生物相容性的ti。鋯係列合金,Ti−Zr係合金,如Ti−Zr−Nb,Ti−Zr−Nb−Ta,Ti−Zr−Al−V合金。其中,蒂,Ti−30Zr−xMo合金已經完全發展成為可移除植入物的良好材料,。隨後,開發了具有自調節彈性模量的鈦。Ti−30Zr−7Mo和Ti−30Zr−3Mo−3Cr合合金。這主要是因為一方麵鋯是骨的成分之一,另一方麵,當鋯的質量分數達到25%以上時,鈣和磷的沉澱可以被抑製。

醫用鈦棒

      自1999年,已先後開發出Ti−2.5Al−2.5Mo−2.5Zr(TAMZ)(具有我國自主知識產權的醫用鈦合金)、Ti−25Nb−3Zr−2Sn−3Mo(TLM)、Ti−15Nb−5Zr−3Mo(TLE)、Ti−10Mo−6Zr−4Sn−3Nb(TB12)醫用鈦合金板、棒、管、絲、箔材及超細晶塊體材料等外科植入鈦加工材。其中,TLM鈦合金不僅剔除了傳統醫用鈦材中含有的Al,V等毒性或過敏性元素,其相組成也非常多樣化(α″,ω,α,β),不同組織下的力學性能可調範圍大:抗拉強度為645~1270MPa,彈性模量為40~90GPa,疲勞強度為450~720MPa。此類鈦棒的性能不僅能夠滿足目前傳統外科植入用鈦材所要求的性能指標,而且具有一定的可調性和超彈性,醫用鈦非常適應用於今後理想外科植入物隨人體骨力學參數的自適應調整。目前,圍繞TLM鈦合金的研究已取得多項國家發明專利。

低彈性模量的TLM鈦合金的設計準則是:

(1)選擇低成本、無毒性合金元素,並確定以Ti−Nb合金係作為合金設計的基礎體係;

(2)采用d電子理論、Mo當量經驗公式及Kβ穩定係數相結合的方法,根據鈦合金二元相圖及d電子軌道相圖,選擇低彈性模量和能夠產生多種亞穩態相變及馬氏體的區間,以便獲得更加寬泛的性能區間;同時,根據Mo當量及Kβ穩定係數與相變溫度曲線圖確定鈦合金處於介穩狀態的參數,依據其性原理計算Sn,Zr,Mo對鈦合金強度、彈性模量及馬氏體轉變溫度的影響;

(3)考慮鈦合金難加工的工藝性特點,優化、計算並反複預測合金元素及其含量對TLM鈦合金生物力學性能的影響,並通過試驗檢測和進一步優化獲得穩定的具有寬泛性能的新型低彈性模量的醫用鈦合金。

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