摘要
钛及其合金因具有质轻、耐腐蚀性好、强度高和生物相容性好等优势，被广泛应用在临床硬组织修复及替代等领域，临床短期（5-10年）修复效果显著但远期疗效不佳，原因如下：①钛及其合金弹性模量（＞110GPa）远高于人体骨（10-30GPa），易引起长期“应力屏蔽和应力刺激”，造成植入材料周围骨组织吸收和萎缩；②钛合金中含有Ni、Al、V等有害元素易引起细胞和组织毒性，导致器官损伤、骨软化、贫血和神经紊乱等并发症，限制了其应用。因此，设计和研制无生物毒性元素且兼具低弹性模量的钛合金材料对于提升硬组织修复材料的远期植入成功率意义重大。 本文通过调控生物友好元素Mo和Zr的成分及含量，设计出Ti-xMo-yZr系梯度合金。为系统研究添加元素对性能的调控作用，两类合金分别设置两种单元素钛合金，以临床应用广泛的CP-Ti作为对照组。本实验通过真空感应熔炼、固溶处理方式制备出六种钛合金，随后对试样进行压缩/拉伸力学实验、电化学腐蚀实验、体外生物学评价等研究，利用XRD、OM、SEM、EPMA、XPS等表征手段探究合金微观结构与其力学性能、耐腐蚀性及生物相容性的相关联系，揭示Mo和Zr元素对钛合金性能的影响规律，结果如下： （1）Ti-18Zr和Ti-10Zr合金均由针状α′相组成；添加超过10%的β稳定元素Mo后，Ti-13Mo、Ti-18Zr-13Mo、Ti-12Mo及Ti-12Mo-10Zr合金中仅观察到亚稳β相。 （2）在Ti-18Zr-13Mo系合金中，亚稳β型Ti-13Mo合金表现出优于CP-Ti的综合力学性能：其压缩弹性模量相比CP-Ti降低了11%，其显微硬度（327HV）相比CP-Ti提高了80%，其压缩屈服强度（395MPa）相比CP-Ti提高了43%；在Ti-12Mo-10Zr系合金中，Ti-12Mo-10Zr合金综合力学性能最优，其弹性模量（63.42GPa）相比CP-Ti降低了38%，其显微硬度（346HV）相比CP-Ti提高了90%，其屈服强度（810MPa）相比CP-Ti提高了193%。 （3）电化学腐蚀实验表明：在酸性PBS溶液中，本实验研究的合金与CP-Ti具有相当的耐腐蚀能力。其中，因亚稳β型相结构及细化的晶粒特性，Ti-18Zr-13Mo和Ti-12Mo-10Zr合金的耐蚀性较好；而单一Zr元素会显著降低Ti合金的耐腐蚀性能。XPS和SEM结果均表明在酸性PBS溶液中，Ti-18Zr-13Mo与Ti-12Mo-10Zr合金表面形成了一层致密均匀的钝化膜，无腐蚀坑缺陷，其成分为TiO2、ZrO2、MoO2和MoO3；相反Ti-18Zr和Ti-10Zr合金表面钝化膜存在明显的沟壑与腐蚀坑，降低了钝化膜的防护作用。 （4）对比考察了不同合金的生物相容性及对骨类细胞增殖的影响。体外细胞实验结果表明，随着培养时间的增加，小鼠胚胎成骨样细胞（MC3T3-E1）在Ti-Mo-Zr合金表面的细胞增殖数目均逐渐增多，表明该类型合金无细胞毒性，具有较好的细胞黏附和增殖能力，相比临床广泛应用的CP-Ti，无显著性差异。 综上，本论文研究的亚稳β型Ti-12Mo-10Zr合金在六种Ti-Mo-Zr系合金中综合力学性能最优，且远优于CP-Ti，且其生物学性能与CP-Ti无显著性差异。该研究为亚稳β钛合金替代传统医用金属材料提供一定的实验研究及理论基础。
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