医用超细晶β钛合金的生物力学行为及其调控机制

Ultrafine grained biomedical β-Ti alloy exhibits low Young modulus and improved hardness, as well as low production of abrasive dust at bone interface and similar mechanical properties to cortical bone etc. However, serious problem exists in fabricating low modulus biomedical β-Ti alloy and impeding its large scale application. Such alloy can have several phase compositions, complex microstructural characteristics and various phase transformations, which cause unstable biomechanical behavior. An ultrafine-grained microstructure was produced via accumulative roll bonding (ARB) process in TLM β-Ti alloy developed in our institute. The fabrication process, microstructural adjustment and assessment of biomechanical compatibility will be emphasized. In addition, the formation mechanism of ultrafine-grained microstructure and specific phase transformation rules, as well as their effects on biomechanical behavior will be studied. This project will provide solid theoretical foundation for alloy development, fabrication and microstructural adjustment of biomedical Ti alloys.

超细晶化处理后的生物医用β钛合金弹性模量明显下降、硬度提高，骨接触面磨屑的减少，且力学性能与皮质骨更接近等。目前，在超细晶钛合金制备和实际应用上所遇到的“瓶颈”是：低模量β医用钛合金相组成和组织多样化，晶粒尺寸和特征相转变的批次稳定性较差，从而导致不稳定的生物力学行为。本项目拟以自主研发的低模量β钛合金TLM为研究对象，采用多向锻造和累积叠轧相结合的复合大塑性变形方式制备超细晶组织。本项目重点从合金超细晶结构的制备、组织调控及生物力学相容性评价三个方面，研究TLM合金在大塑性变形过程中的晶粒细化机理，以及特征相转变过程对生物力学行为的影响规律和调控机制。本项目的实施最终为高性能钛合金植入体的设计、制备和调控提供科学理论依据。

针对具有复杂组织结构的低模量β医用钛合金植入物在植入过程中生物力学不匹配及组织性能不稳定的临床应用难题，以实现新型医用钛合金材料在组织-晶粒尺寸-性能方面的相互匹配和体内长期稳定服役的目的，系统研究了医用β钛合金（TLM）典型组织超细晶结构的制备工艺、组织调控及生物及力学相容性评价，以及合金在两种剧烈塑性变形过程中的晶粒细化机理，以及特征相转变过程对生物力学行为的影响规律和调控机制，探索了超细晶TLM的磨损、电化学腐蚀行为及成骨能力等，获得了具有不同相成分超细晶结构的新工艺，阐明了实现外科植入材料组织调控与生物力学适配性的最佳组织与性能特点。研究表明：（1）复合大塑性变形（等温多向锻造+累积叠轧）可达到剧烈破碎TLMβ晶粒的目的，且晶粒细化过程是由局部细化逐渐扩大为均匀的超细晶组织。其晶粒细化机理主要是细小α″的形成及α″→β的逆转变，以及位错与α马氏体的相互作用。其次，超细晶TLM合金的热稳定性较低，微观变形过程会形成α″→β的逆转变。（2）TLM合金的晶粒尺寸约200nm时，可表现出独特而优越的生物力学性能，达到骨科生物力学需求的良好匹配（弹性模量E=67GPa，抗拉强度Rm=1200MPa，屈服强度RP0.2=955MPa）。（3）超细晶组织为β+α″时，弹性模量对疲劳应变幅极其敏感，应变幅的增大可促使疲劳后期弹性模量急剧增大，这就阐明了骨科植入物长期植入后易发生“应力屏蔽”而导致断裂的形成机制。该组织下的疲劳变形机制由滑移和孪生主导，裂纹萌生于位错胞和孪晶处；组织为β+α马氏体时，弹性模量基本保持稳定，变形机制以滑移为主导，裂纹萌生于α晶界。（4）超细晶不同相结构对磨损体积与磨损率的影响规律为：ω＜α＜β。超细晶化后抗腐蚀性更好，细胞活力值更大，具有更好的分化增殖能力。. 本项目对完善和发展医用β钛合金材料的细晶化理论及生物力学调控行为等关键问题具有重要的科学指导意义。