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                  高強度低模量骨科植入材料領域取得新進展
                  2021/4/19 18:35:06 來源:國家高性能醫療器械創新中心

                            近日,國家高性能醫療器械創新中心、中科院深圳先進院胡楠副研究員團隊在高強度低彈性模量生物醫用β鈦合金骨科植入材料領域取得進展,在國際生物材料頂級期刊Acta Biomaterialia發表最新研究成果。

                             Ti-45Nb合金是近年來廣受推崇的一種新型生物醫用β鈦合金,不僅去除對人體有害的Al和V 等元素而采用Nb這種無毒合金元素,同時形成的β型體心立方晶體結構,相比傳統α+β型鈦合金,彈性模量更接近人骨,可減輕載荷不能由植入體傳遞到毗鄰骨組織導致的“應力屏蔽”問題,有望進一步減輕術后種植體松動,提高使用壽命。因此作為骨種植體材料具有巨大的應用潛力。但是種植體金屬材料不僅需要具備接近人體骨的低彈性模量,亦需要較高的強度、一定的塑性,以應對植入體長期服役過程中的不斷的受力。Ti-45Nb合金較低的強度是限制其臨床應用的主要問題,而傳統的熱處理析出強化的方法雖然可以提高強度,但不可避免的會導致彈性模量的上升,加劇應力屏蔽的問題。因此,如何在維持低模量的同時獲得高強度成為了一大科學難題。研究團隊通過大塑性變形技術,將Ti-45Nb合金的晶粒尺寸細化到亞微米級,獲得超細晶Ti-45Nb合金,該合金不僅表現出高強度低模量,而且相比粗晶Ti-45Nb合金,其耐腐蝕性和生物相容性提升。

                            這項工作與英國南安普頓大學Nong Gao博士團隊合作,通過高壓扭轉(high pressure torsion, HPT)的方法將Ti-45Nb合金的晶粒尺寸從77微米細化到了約88納米左右,強度從370 MPa提高到了658MPa,而彈性模量一直保持在61-72 GPa。除此之外,新增的大量晶界促進了Ti-45Nb合金的鈍化性能從而生成更厚更致密的鈍化層,耐腐蝕性顯著提高,金屬離子釋放減少。體外細胞培養和動物體內植入實驗證實了該合金良好的生物相容性,而且相比粗晶樣品,植入體內之后異物反應顯著減輕。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 發表在醫用金屬材料頂級刊物Acta Biomaterialia (IF = 7.24, https://doi.org/10.1016/j.actbio.2021.02.045 )。胡楠副研究員為該文的第一作者,深圳市南山區人民醫院脊柱外科楊大志副主任醫師、中科院深圳先進院童麗萍副研究員和王懷雨研究員為本文共同通訊作者。

                             本研究得到了國家自然科學基金、中科院STS區域重點項目,中國博士后科學基金和深圳先進院優秀青年創新基金等的支持。   

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                   圖1 通過3GPa+10轉的高壓扭轉加工,獲得晶粒尺寸約為88納米的超細晶Ti-45Nb合金

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                  圖2 高壓扭轉前后,Ti-45Nb合金的彈性模量基本不變維持在61-72GPa,但是強硬度顯著上升

                   

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                  圖3 超細晶Ti-45Nb合金相比粗晶Ti-45Nb合金在大鼠體內植入7天以后,炎癥反應顯著


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