医用钛合金的发展历史
1940年初期，钛合金的研发工作开始逐步进行，Bothe等人将钛应用于老鼠骨中，发现鼠骨与钛的相容性较好，没有不良反应发生。到了20世纪50～60年代，研发出了具有耐高温特性的钛合金，70年代初期又有一批耐蚀钛合金相继研制出，在80年代中期阶段，第2代无钒的a+β型钛合金(Ti-6Al-7Nb和Ti-5Al-2.5Fe)也被研制出，在临床中得到一定的应用，但该种合金中有毒元素Al和Fe会对人体带来一定的伤害，并且该合金的弹性模量还达不到真正股骨的标准，会产生“应力屏蔽”使种植体周围出现骨吸收的现象，引起种植体断裂或松动从而导致植入失败。到了1990年伊始，美国和日本开始致力于研究第三代新型的医用钛合金，其中以β型钛合金为主。


医用钛合金作为一种新型合金，同时也是一种载体材料，被广泛应用于肢体植入、替代性功能材料、牙科、医疗器械等相关领域。钛及钛合金有：耐蚀性好、比强度高、弹性模量较低、耐疲劳、生物相容性好等特点。其中生物相容性好这一特点使其与其他金属相比具有独特的优势，因此在医学领域获得广泛青睐，但由于其耐磨性及工艺性能不高，致力于对其进一步的改进工作也在不断进行。
β钛合金的研发
合金的制备原理与设计
(1)钛合金的选择
在选择适应于医用材料时，对于不同部位，材料的弹性模量、韧性、强度、耐蚀性等相关指标成为考虑的必备因素。于振涛等人将不同金属元素进行实验比较，他们的研究结果显示如下：V，Co，Cd，Cr，Ni，Hg等元素毒性较强，Fe，Al元素次之。在生物体内脾、肝、肾等部位发现有V的离子析出物，其生物毒性较大；而Al元素也会以Al盐形式在体内蓄积从而导致人体的神经系统紊乱以及相应器官受损。Ta，Mo，Zr，Sn，Pd，Hf，Nb等元素生物相容性较好，可以作为合金的添加元素。Mo，Sn，Zr，TaHf，Nb，Pd的化学稳定性好，并且Ta，Nb，Zr，Mo能够使合金的弹性模量降低，因此可以有效改善合金的稳定性能。综上分析，理想的生物医用钛合金可以选择的合金系包括Ti-Mo-Nb、Ti-Zr-Nb、Ti-Zr-Mo-Nb和Ti-Zr-Sn-Mo-Nb等。
(2)钛合金的设计
在合金的设计过程中，d电子设计理论为合金设计的基本方法。基本思想是：通过对Ti及其各添加元素的电子轨道参数进行计算，得到相应的Md值和Bo值，进而对合金的弹性模量和抗拉强度等有关参数进行分析。实验表明，Md值较低有利于相稳定，Bo值较高有利于提高固溶的强化效果。在对介稳定β型钛合金进行设计时，应该控制Md值2.35~2.45以及Bo值为2.75~2.85之间。热稳定β型钛合金在进行塑性加工时会发生滑移变形，而介稳定β型钛合金则可发生滑移、马氏体或孪生变形(如图1)所示。因而通过控制不同的合金显微组织结构可以使材料性能在较大范围内得以提升。
4.钛合金的发展现状
(1)低弹性模量的β钛合金
美国研发了多种低模量的β钛合金，Ti-13Mo-7Zr-3Fe和Ti-35Nb-7Zr-5Ta可作为替代髋关节的理想合金，其中Ti-13Mo-7Zr-3Fe合金具有更接近于人体骨骼标准的低弹性模量，可以减少“应力屏蔽”效应，从而可以有效的降低植入对骨头造成的损害。俄罗斯也研发了一种新的医用钛合金Ti51-Zr18Nb，其弹性弹性模量仅为47Gpa，并且其可逆变形量也高达2.83%。日本对低弹性模量的β钛合金进行进一步改进，TNTZ合金在高压扭转下得到较大的塑性变形，并且该合金的抗拉强度也得到大幅度的提升。
(2)形状记忆合金
形状记忆合金具有变形恢复功能，该功能源于热弹性马氏体相变。记忆合金中马氏体会随着温度的改变而发生相应的变化，在高温时呈现奥氏体相，低温时呈现马氏体相。其形状记忆效应还包括：单程记忆效应、双程记忆效应以及全程记忆效应。除此之外，形状记忆合金还具有弯曲量大，塑性高的特点。因此，在医疗方面，可以用来制备：记忆NiTi牙弓丝、形状记忆合金血液过滤器以及套管链接的铝合金假肢。
(3)多孔钛合金
“应力屏蔽”作用所造成的植入体松动和断裂使钛及其合金的应用受到一定的限制，因此，为了解决这一问题，多孔钛合金的出现使植入体的性能得以改善。通过对孔隙率的大小进行调整，可以使合金的弹性模量、强度、密度能够与被替换的组织生物相容性增强，从而更好的进行匹配；此外，多孔的结构以及粗糙的表面能够使细胞黏附，有利于进行增殖和分化；孔洞可以成为使体内的营养物质和体液运输的通道，有利于组织细胞进行再增长，加快愈合进程。因此，多孔钛合金的优点在医学上受到广泛关注。
(4)钛合金的表面改性
钛合金虽具有良好的生物相容性，但其属于生物惰性材料。耐磨性较低，在磨损条件下容易产生大量的含有钛的磨屑，甚至可诱发炎症反应,导致植入体周围的骨组织溶解，大大降低了其使用寿命。对钛合金进行表面改性可以在保留钛合金原有的优良性能的基础上，使其生物相容性、耐磨性、耐蚀性等方面增强，改善其临床使用性能从而更好的发挥其使用价值。钛合金表面改性方法有很多种，包括氧化改性法、气相沉积法、离子注入法、等离子喷涂法及激光表面改性法等。
5.医用钛合金的应用
(1)牙科
钛与人体结缔的组织、骨骼上皮组织都具有良好的亲和性，优良的力学性能也体现其在医用合金中的优势。且密度小、质量轻、耐腐蚀性好、戴用舒适，因此，钛作为义齿(种植牙)收到广泛青睐。此外，钛义齿通过表面处理之后，美观性能增加，能够满足大众对美的需求，给人以视觉的享受。
(2)肢体矫正
据有关文献报道，每年世界上大约有1 亿病人患有膝关节和臂关节等有关炎症，进行替换手术治疗势在必行，因此具有优良替换功能的钛合金为此带来福音。与陶瓷、不锈钢等材料相比，钛合金的弹性模量更接近于人体骨骼，在模量大小上更具有优势。因此钛合金在踝关节、肘关节等矫正中得以广泛应用。此外，多孔钛合金材料能够使假体具有生物活性，有助于股骨头的愈合；钛合金表面的生物相容性较好，能诱导骨细胞生长，因此被临床医生、骨科领域专家等所推崇。
(3)植入修复与替代
植入修复物，钛及钛合金作为植入修复物的优点主要有：①强度高，化学稳定性及生物相容性好；②无毒，对人体不会造成伤害；③弹性模量低，与人体骨骼更匹配；④记忆合金具有的弹性能力和形状恢复功能。综上，钛在颅骨修复方面的应用主要体现在：利用钛网可以修复缺损的颅骨。在人体心血管方面的应用体现在：制备人造心脏瓣膜、血液过滤器、心脏起搏器和人工心脏泵等。