高强度低模量骨科植入材料领域取得新进展
2021/4/19 18:35:06 来源：威尼斯欢乐娱人城精品
近日，威尼斯欢乐娱人城精品、中科院深圳先进院胡楠副研究员团队在高强度低弹性模量生物医用β钛合金骨科植入材料领域取得进展，在国际生物材料顶级期刊Acta Biomaterialia发表最新研究成果。
Ti-45Nb合金是近年来广受推崇的一种新型生物医用β钛合金，不仅去除对人体有害的Al和V 等元素而采用Nb这种无毒合金元素，同时形成的β型体心立方晶体结构，相比传统α+β型钛合金，弹性模量更接近人骨，可减轻载荷不能由植入体传递到毗邻骨组织导致的“应力屏蔽”问题，有望进一步减轻术后种植体松动，提高使用寿命。因此作为骨种植体材料具有巨大的应用潜力。但是种植体金属材料不仅需要具备接近人体骨的低弹性模量，亦需要较高的强度、一定的塑性，以应对植入体长期服役过程中的不断的受力。Ti-45Nb合金较低的强度是限制其临床应用的主要问题，而传统的热处理析出强化的方法虽然可以提高强度，但不可避免的会导致弹性模量的上升，加剧应力屏蔽的问题。因此，如何在维持低模量的同时获得高强度成为了一大科学难题。研究团队通过大塑性变形技术，将Ti-45Nb合金的晶粒尺寸细化到亚微米级，获得超细晶Ti-45Nb合金，该合金不仅表现出高强度低模量，而且相比粗晶Ti-45Nb合金，其耐腐蚀性和生物相容性提升。
这项工作与英国南安普顿大学Nong Gao博士团队合作，通过高压扭转(high pressure torsion, HPT)的方法将Ti-45Nb合金的晶粒尺寸从77微米细化到了约88纳米左右，强度从370 MPa提高到了658MPa，而弹性模量一直保持在61-72 GPa。除此之外，新增的大量晶界促进了Ti-45Nb合金的钝化性能从而生成更厚更致密的钝化层，耐腐蚀性显著提高，金属离子释放减少。体外细胞培养和动物体内植入实验证实了该合金良好的生物相容性，而且相比粗晶样品，植入体内之后异物反应显著减轻。成果以A more defective substrate leads to a less defective passive layer: Enhancing the mechanical strength, corrosion resistance and anti-inflammatory response of the low-modulus Ti-45Nb alloy by grain refinement 发表在医用金属材料顶级刊物Acta Biomaterialia (IF = 7.24, https://doi.org/10.1016/j.actbio.2021.02.045 )。胡楠副研究员为该文的第一作者，深圳市南山区人民医院脊柱外科杨大志副主任医师、中科院深圳先进院童丽萍副研究员和王怀雨研究员为本文共同通讯作者。
本研究得到了国家自然科学基金、中科院STS区域重点项目，中国博士后科学基金和深圳先进院优秀青年创新基金等的支持。
图1 通过3GPa+10转的高压扭转加工，获得晶粒尺寸约为88纳米的超细晶Ti-45Nb合金
图2 高压扭转前后，Ti-45Nb合金的弹性模量基本不变维持在61-72GPa，但是强硬度显著上升
图3 超细晶Ti-45Nb合金相比粗晶Ti-45Nb合金在大鼠体内植入7天以后，炎症反应显著
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