醫(yī)用鈦系高熵合金的設(shè)計(jì)與進(jìn)展

劉吉奎,張香云,2,袁子洲

(1.蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅蘭州 730050;2.蘭州理工大學(xué)溫州泵閥工程研究院,浙江溫州 325105)

1 引 言

鈦及其合金由于具有高比強(qiáng)度、高耐蝕性及“親生物”性等優(yōu)勢(shì),作為生物醫(yī)用材料廣泛應(yīng)用在臨床上。然而,鈦合金（Ti6Al4V）長期植入后,容易在體液作用下釋放出有毒副作用的金屬離子,對(duì)人體產(chǎn)生危害[1]。此外,鈦合金的彈性模量遠(yuǎn)高于人骨的彈性模量,易因“應(yīng)力屏蔽”作用抑制新骨生長。盡管近年來科研工作者研發(fā)的第三代低彈性模量的醫(yī)用β鈦合金（體心立方晶格,BCC）的彈性模量更接近于人骨,但強(qiáng)度卻有所下降[2]。為了解決傳統(tǒng)醫(yī)用合金在臨床中的不足,強(qiáng)烈需要開發(fā)綜合性能良好的新一代金屬材料,以滿足未來醫(yī)學(xué)需求。2004年,葉均蔚等[3]提出了高熵合金（HEAs）的全新概念。HEAs一般含5～13 種主元,每種主元的原子占比在5%～35%之間,高構(gòu)型熵使其微觀結(jié)構(gòu)易于形成簡單固溶體相。其中,BCC 相的合金具有更低的彈性模量及優(yōu)異的耐蝕性[4]。設(shè)計(jì)由無毒元素合金化而成的β鈦系HEAs,有望突破傳統(tǒng)醫(yī)用合金在臨床應(yīng)用中的不足[5]。因此,鈦系HEAs在未來醫(yī)學(xué)行業(yè)具有很大的應(yīng)用潛力。

2 醫(yī)用鈦系高熵合金的設(shè)計(jì)

2.1 合金元素的篩選

作為醫(yī)用金屬材料,優(yōu)選已被公認(rèn)的具有生物相容性的無毒或低毒元素是先決條件。結(jié)合純金屬對(duì)小鼠成纖維細(xì)胞（L929）的毒性順序、合金植入后的生物相容性[6]以及元素含量對(duì)骨穩(wěn)態(tài)的影響[7]等研究可知,Fe、Mo、316L 不銹鋼和Co-Cr合金等具有某種程度的生物相容性,Zr、Nb、Sn、Ta等則具有優(yōu)異的生物相容性,而Al、V、Cu、Ni、Co、Cr等有毒。

此外,鈦系HEAs中能降低α/β轉(zhuǎn)變溫度,使β相區(qū)增大,且在β相中比α相（密排六方晶格,HCP）有更大的溶解度的元素稱為β穩(wěn)定元素。若β穩(wěn)定元素的含量足夠高,快淬時(shí)無馬氏體生成而β相全保留下來,可將該類合金稱為β鈦系HEAs。因此,通過添加一定量的β穩(wěn)定元素能使鈦系HEAs中的β相保持穩(wěn)定,如添加同晶型元素V、Ta、Nb、Mo等易與β－Ti合金形成無限固溶體；可形成有限固溶體的共析型元素有Si、Cr、Mn、Fe、Co、Ni和Cu等[9]；中性元素Zr和Sn也是β－Ti合金常用的添加元素。該類合金具有低彈性模量和高耐蝕性等優(yōu)點(diǎn)[8],通常被用作生物醫(yī)用植入材料。

綜合考慮細(xì)胞毒性、元素對(duì)骨穩(wěn)態(tài)的影響和β穩(wěn)定元素,Fe、Zr、Nb、Mo、Sn、Ta等元素與β－Ti可用于制備無毒、生物相容性良好的HEAs[10-11]。

2.2 合金相的選擇

由于HEAs中各原子隨機(jī)占據(jù)晶體點(diǎn)陣位置,被認(rèn)為易形成典型固溶體結(jié)構(gòu)[12]。為了預(yù)判其固溶度,ZHANG 等[13]對(duì)Hume—Rothery[14]提出的二元合金的相形成經(jīng)驗(yàn)規(guī)則進(jìn)行修正,將影響HEAs相形成的因素歸結(jié)為原子半徑、混合焓和混合熵的變化,并得出了HEAs固溶度與一系列熱力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系。表1為醫(yī)用鈦系HEAs各組成元素的物理化學(xué)參數(shù)。

表1 HEAs各組成元素的物理化學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and chemical parameters of alloy elements

原子半徑均方差δ:

式中:T為絕對(duì)溫度,ΔHmix為混合焓,R為摩爾氣體常數(shù)。ΔGmix值越低HEAs的固溶體相越穩(wěn)定。結(jié)合ΔHmix、ΔGmix對(duì)多主元固溶體穩(wěn)定性的影響,Zhang[15]提出新的參數(shù)Ω:

考慮到組元原子的電子結(jié)構(gòu)不同,采用組成元素的電負(fù)性差Δx來預(yù)測HEAs中的中間相的形成。

式中:x i為組元i的電負(fù)性,為各元素的平均電負(fù)性。HEAs的Δx＜0.117時(shí),無中間相存在；當(dāng)Δx＞0.133時(shí),中間相可以穩(wěn)定存在。

用參數(shù)價(jià)電子濃度VEC來預(yù)測相形成規(guī)律:

當(dāng)VEC＞8.6 時(shí),HEAs 的FCC 相穩(wěn)定存在；當(dāng)VEC≤6.87時(shí),HEAs的BCC相趨于穩(wěn)定；當(dāng)6.87＜VEC＜8.6時(shí),BCC相與FCC相共存。

雖然β鈦系HEAs具有更加良好的生物相容性,但隨研究的不斷深入,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)HEAs包含各種中間相。因此,鈦系HEAs的發(fā)展不應(yīng)局限于簡單的固溶體相。

3 生物相容性原則

生物相容性作為評(píng)價(jià)醫(yī)用材料性能的指標(biāo)之一,被ISO 定義為生命體組織對(duì)非活性材料產(chǎn)生反應(yīng)的一種性能,即材料與宿主之間的相容性,包括生物安全性原則和生物功能性原則[17]。

3.1 材料彈性模量對(duì)生物相容性的影響

生物醫(yī)用合金對(duì)彈性模量非常敏感,若其相對(duì)骨骼的彈性模量（10～40 GPa）過高,則造成“應(yīng)力屏蔽”,接觸面間易產(chǎn)生松動(dòng)導(dǎo)致合金植入失??；若其過低,則較大的應(yīng)力下難以起到固定和支撐的作用。因此,醫(yī)用合金的理想彈性模量要盡可能接近或略高于人骨的彈性模量[18]。

圖1為合金彈性模量與人骨彈性模量的比較[19]。可以看出,應(yīng)用最為廣泛的傳統(tǒng)醫(yī)用合金中,Ti6Al4V合金的彈性模量最低,β鈦系HEAs彈性模量更接近人骨彈性模量。因此,對(duì)于β系鈦HEAs的研發(fā)倍受關(guān)注,有望解決傳統(tǒng)醫(yī)用合金在彈性模量上與人體骨骼不匹配的難題。

圖1 傳統(tǒng)合金CoCr Mo、316LSS及Ti6Al4V 和β系鈦高熵合金TiZr Ta Hf Nb及Ti1.5 Zr Ta0.5 Hf0.5 Nb0.5與頂骨、枕骨彈性模量的比較[19]Fig.1 Comparison of elastic modulus between CoCr Mo,316LSS and Ti6Al4V traditional Alloy,TiZr Ta Hf Nb and Ti1.5 Zr Ta0.5 Hf0.5 Nb0.5 beta titanium based high entropy alloys with parietal,occipital bone[19]

3.2 耐蝕性對(duì)生物相容性的影響

醫(yī)用金屬在臨床應(yīng)用中遇到的挑戰(zhàn)在于腐蝕過程中釋放的金屬離子刺激不必要的免疫反應(yīng),并使材料植入后自身性能降低。材料的微觀組織和表面狀態(tài)與腐蝕密切相關(guān),設(shè)計(jì)和制備醫(yī)用合金時(shí)應(yīng)重視合理的相預(yù)判、調(diào)控微觀組織及改善材料的表觀質(zhì)量[20]。

耐生理腐蝕性是植入材料成敗的關(guān)鍵因素之一。傳統(tǒng)的生物醫(yī)用合金如316L、CoCr Mo和Ti6Al4V 分別在Ag/AgCl腐蝕液中出現(xiàn)點(diǎn)蝕行為,引發(fā)人們的大量關(guān)注。然而,TiZr Ta Hf Nb 和Ti1.5Zr Ta0.5Hf0.5Nb0.5HEAs在腐蝕過程中出現(xiàn)連續(xù)的鈍化平臺(tái)且無點(diǎn)蝕,鈍化電位高達(dá)1800 m VAg/AgCl,成為一種很有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的生物植入候選材料[19]。

3.3 耐磨性對(duì)生物相容性的影響

鈦合金的耐磨性較差,長期使用在人體髖關(guān)節(jié)等部位易出現(xiàn)骨質(zhì)溶解等問題,導(dǎo)致生物相容性降低。但由于HEAs的“晶格畸變效應(yīng)”,使合金表面具有較高的晶格畸變能,耐磨性優(yōu)于傳統(tǒng)醫(yī)用合金。例如AMIR M 等[19]和 BRAIC 等[21]分別制備的TiZr Ta Hf Nb、Ti1.5Zr Ta0.5Hf0.5Nb0.5HEAs 和（TiZr Nb Hf Ta）N 及（TiZr Nb Hf Ta）C HEAs涂層的平均硬度均高于316LSS、CoCr Mo和Ti6Al4V 等傳統(tǒng)醫(yī)用合金,使HEAs耐磨性得到顯著提高,為耐磨合金的設(shè)計(jì)提供了重要思路。

3.4 體外細(xì)胞相容性的評(píng)價(jià)

雖然鈦系醫(yī)用HEAs具有良好的生物相容性,但目前HEAs尚未應(yīng)用于臨床。人們通過體外模擬培養(yǎng)成骨細(xì)胞來評(píng)價(jià)其生物相容性。將成骨細(xì)胞分別定量培養(yǎng)在SUS 316L 和TiNb TaZr Mo HEAs上,由于退火后HEAs中組成元素晶粒粗化和/或重新分布導(dǎo)致該HEAs上的成骨細(xì)胞數(shù)明顯多于其他合金,促進(jìn)了細(xì)胞增值[22]。根據(jù)鈦、鋯可支持造骨細(xì)胞的增殖生長和骨質(zhì)接合的報(bào)道[23],TAKO HORI等[11]調(diào)整原子含量設(shè)計(jì)了非等原子Ti-Nb-Ta-Zr-Mo HEAs,HEAs標(biāo)本上成骨細(xì)胞纖維粘附量高于SUS 316L,且Ti1.4Zr1.4Nb0.6Ta0.6Mo0.6纖維黏附結(jié)構(gòu)明顯延長,表現(xiàn)出良好的生物相容性和生物活性。

鈦系HEAs體外實(shí)驗(yàn)表明,合金的表面形貌對(duì)所培養(yǎng)的細(xì)胞的生物活性有很大的影響,這些HEAs具有促進(jìn)成骨細(xì)胞分化與增值能力,細(xì)胞未顯示出過敏性,這為加快其在臨床中的應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。

4 結(jié) 論

HEAs作為一個(gè)全新的概念,在材料領(lǐng)域的研究具有非凡的價(jià)值和潛力,與復(fù)合材料、大塊非晶并稱為未來幾十年最具有發(fā)展?jié)摿θ鬅狳c(diǎn)。雖然HEAs探索剛剛起步,要植入到生物體內(nèi)還很長的路要走,但利用微調(diào)成分適當(dāng)?shù)暮辖鸹?從生物安全性、良好的生物相容性等優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)醫(yī)用HEAs,很有可能改善傳統(tǒng)合金在醫(yī)用時(shí)產(chǎn)生的不良反應(yīng)而成為替代材料,在臨床實(shí)踐方面具有廣闊的應(yīng)用前景。盡管目前關(guān)于醫(yī)用鈦系HEAs已經(jīng)做了很多研究工作并取得了一些開創(chuàng)性的研究成果,但目前還存在如下問題有待解決:

1.當(dāng)前有關(guān)HEAs的凝固原理、腐蝕機(jī)理研究較少,熱穩(wěn)定性研究也不系統(tǒng),需要進(jìn)一步完善材料設(shè)計(jì)的各種理論依據(jù)。

2.對(duì)HEAs性能的研究還不全面,植入性試驗(yàn)的研究較少,需不斷調(diào)整參數(shù),致力于開發(fā)出生物相容性更優(yōu)異的醫(yī)用鈦系HEAs。