Ti-Nb-Zr基生物复合材料微观组织-力学性能-骨结合能力的协同控制机制研究

The strong osseointegration is difficult formed between the surface of the medical titanium implants and the bone tissues. It has become one of the major bottlenecks in short service life and the poor clinical efficacy of the medical titanium implants. The β-type titanium alloys have many advantages, e.g., higher strength, lower elastic modulus, better properties of wear, corrosion and biocompatibility. The bioactive ceramics possess excellent bioactivity and osteogenic activity. In this project, according to the design ideas of the composites, the process of functional composite is realized between the β-type titanium alloys and the bioactive ceramics. The Ti-Nb-Zr matrix biocomposites are fabricated by spark plasma sintering technology. And then, the interconnection relationship between the design and optimization of composition, the sintering behavior (the process of strengthening and densification), interfacial reaction on metal and ceramics, the evolution of microstructure and mechanical behavior, the biocompatibility and osseointegration capacity of the biocomposites will be investigated. As a result, the cooperative control mechanism of microstructure, mechanical properties and osseointegration capacity of the biocomposites can be known. Furthermore, the bioactive and the osseointegration capacity of the medical titanium is improved. The research will develop the basic theory of titanium matrix biocomposites. At the same time, it also provide an important solution and way to achieve the microstructure and properties optimization, improved bioactive and osseointegration capacity, developed new biocomposites and controlled preparation technology. The research has a promoted role of the clinical application of titanium matrix biocomposites.

医用钛合金植入体与机体组织之间难以形成强有力的骨性结合是其在临床应用中服役寿命短和疗效不够理想的主要瓶颈之一。本项目从复合材料设计思想出发，将具有高比强度、低弹性模量、良好耐磨耐蚀性能和生物相容性的β型钛合金与具有优异生物活性和骨结合能力的陶瓷材料相结合进行功能复合化，采用放电等离子快速烧结技术制备Ti-Nb-Zr基生物复合材料，通过对复合材料成分设计与优化、烧结行为（致密化与强化过程）、金属-陶瓷界面反应、微观组织与力学行为演变、生物相容性及骨结合能力之间内在关联的深入研究，获得复合材料微观组织-力学性能-骨结合能力的协同控制机制，从而改善和提高现有医用钛合金的生物活性与骨结合能力。相关研究将丰富钛基生物复合材料基础理论，为其结构与性能优化、改善生物活性与骨结合能力、开发新型生物复合材料及其可控制备技术提供解决方法与途径，对实现钛基生物复合材料在临床上的应用具有推动作用。

医用钛合金植入体与机体组织之间难以形成强有力骨性结合是其在临床应用中服役寿命短和疗效不够理想的主要瓶颈之一。项目选择Ti-Nb-Zr系钛合金（Ti-13Nb-13Zr、Ti-24Nb-4Zr、Ti-35Nb-7Zr）与羟基磷灰石（HA）活性陶瓷相进行复合，利用放电等离子烧结（SPS）技术制备出(Ti-Nb-Zr)-xHA生物复合材料，通过对复合材料成分设计与优化、烧结行为、金属-陶瓷界面反应、微观组织与力学行为演变、生物相容性及骨结合能力及其内在关联的研究，获得以下主要研究结果：（1）HA相加入后复合材料具有较高的相对致密度，但过高HA含量会对其致密度产生不利影响；（2）复合材料组织主要由β-Ti、α-Ti及HA相组成，α-Ti相分布在β-Ti相基体中而HA相分布在β-Ti相晶界上，HA相的加入对复合材料中α→β相转变具有一定的抑制作用；（3）复合材料具有较高抗压强度和较低弹性模量，抗压强度随HA含量增加呈下降趋势而弹性模量略微增大，但过高HA含量导致力学性能急剧劣化；（4）生物相容性及骨结合能力评价结果表明，复合材料没有血液和细胞毒性，HA相加入有利于复合材料表面细胞粘附、增殖与分化，表现出良好的生物相容性，同时增强了材料表面的类骨磷灰石形成能力，提高了生物活性与成骨诱导能力。综上所述，HA相加入量在5～10wt.%范围，复合材料不仅具有高致密度（98%左右）、高抗压强度（＞1200MPa）和低压缩弹性模量（40～60 GPa），而且具有良好的耐磨耐蚀、生物相容性及活性与成骨诱导特性。在此基础上，获得了复合材料微观组织-力学性能-骨结合能力的协同控制机制，开发了新型(Ti-Nb-Zr)-xHA生物复合材料及其SPS烧结可控制备技术。相关研究成果对钛基生物复合材料的结构与性能优化、生物活性与骨结合能力改善及开发新型生物复合材料提供了解决方法与途径，对实现钛基生物复合材料在临床上的应用具有推动作用。