综述：用于骨科植入体应用的生物医用钛钽合金：从制造到生物学性能

《Bioactive Materials》：Biomedical titanium-tantalum alloys for orthopedic implant applications: From manufacturing to biological performance

本文全面回顾了钛-钽（Ti-Ta）二元合金在骨科植入体领域的潜力，它由最具生物相容性的金属元素钛和钽组成，是极具前景的生物材料。文章系统阐述了其发展历程、从熔炼、粉末冶金到增材制造（AM）的制备工艺、与冷却条件相关的微观结构、力学性能、表面改性、耐腐蚀性和润湿性，并深入探讨了其在体内外的生物响应。特别强调了增材制造技术能够制备出具有独特力学和生物学性能的Ti-Ta晶格结构，其弹性模量可接近天然骨骼，并能通过开放孔隙网络促进骨整合，为制造“患者定制”植入体、实现长期成功的骨修复提供了创新性解决方案。

　　

引言：骨科植入材料的理想追求

随着全球人口增长和预期寿命延长，对人工骨植入体的需求日益增加。理想骨植入材料需与人体生物相容、力学性能匹配天然骨（皮质骨或松质骨），并在服役期内不释放有毒离子。钛（Ti）和钽（Ta）是两种临床应用数十年的生物相容性金属。将二者结合的钛-钽（Ti-Ta）二元合金因此成为备受瞩目的潜力股。增材制造（AM）技术的出现，为设计和制造“患者定制”的医疗植入体，如具有独特力学和生物学性能的Ti-Ta晶格结构，开辟了新道路。

Ti-Ta合金的制备：传统与创新

制备Ti-Ta合金的方法多样。传统方法以熔炼为主（占研究中的约53%），但钛和钽熔点（1660℃ vs. 2996℃）和密度（4.51 g/cm³vs. 16.69 g/cm³）差异巨大，导致成分偏析，往往需要反复熔炼和长时间均匀化热处理。粉末冶金（PM）是另一常用途径，通过钛粉和钽粉混合、压坯和烧结来制备，但钽是慢扩散元素，易导致致密化不足和微观结构不均。为解决致密化问题，放电等离子烧结（SPS）可实现高密度，但仍需后续热处理来获得均匀组织。粉末冶金也常用于制备多孔Ti-Ta合金，通过添加造孔剂可精细调控孔隙率和孔径。

增材制造，特别是激光（PBF-LB/M）或电子束（PBF-EB/M）粉末床熔融技术，为Ti-Ta合金的制备带来了革新。大多数研究使用元素钛粉和钽粉的混合粉末进行原位合金化，成本低且成分设计灵活。然而，在快速熔凝过程中，特别是高钽含量合金中，完全熔化钽颗粒颇具挑战，即使采用重熔策略也难以避免。提高能量输入可促进钽溶解，但可能引发钛蒸发，反而增加孔隙。使用预合金化（PA）Ti-Ta粉末可从源头上避免这一矛盾，因其熔化温度范围窄，可降低最佳工艺能量密度，从而获得高致密且微观结构均匀的构件。但仍有研究发现粉末中未熔化的钽颗粒。目前，要同时获得完全无内部孔隙且无未熔钽颗粒的AM Ti-Ta合金构件仍具挑战。鉴于少量未熔钽对力学和生物学性能影响不显著，当前AM工艺的优先级应是追求高致密度，同时尽量减少未熔钽。

AM Ti-Ta晶格结构：模仿骨骼的利器

增材制造尤其擅长设计和制造复杂的晶格结构。Ti-Ta合金晶格为满足植入体的力学和生物学需求提供了多重优势：首先，晶格可大幅降低有效弹性模量，使其接近人骨（皮质骨模量13.6-35.3 GPa，松质骨0.02-0.83 GPa），从而避免因植入体与宿主骨刚度不匹配引发的“应力屏蔽”效应，该效应会导致骨吸收和植入体松动。其次，相较于致密材料，晶格植入体提供了巨大的比表面积，利于骨细胞粘附、增殖和分化；其开放、连通的孔隙网络促进了骨组织长入、植入体固定以及营养和代谢废物的传输。最后，Ti-Ta晶格显著降低了植入体的密度和重量，更接近人骨密度，并降低了材料成本。

目前，已通过PBF-LB/M技术利用混合粉末成功制备了多种Ti-Ta晶格，主要分为杆基晶格和基于三周期极小曲面（TPMS）的骨架晶格两大类。后者在连接点处过渡平滑，具有固有的最小表面积，可减少未熔粉末附着，在孔隙率和杆件尺寸控制上更具优势。然而，实际构建与设计之间的孔隙率和杆件尺寸偏差仍因晶格拓扑结构而异。研究表明，在相同打印条件下，Schwarz晶格孔隙率偏差最小（17%），而Gyroid晶格的杆件尺寸偏差最小（26%）。此外，随机晶格也已被成功制造，其非周期性随机连接结构可实现高达92%的孔隙率。

微观结构与力学性能：成分与工艺的舞蹈

Ti-Ta合金的性能核心取决于其微观结构，而微观结构又深受合金成分和冷却条件影响。钛是“同素异构”金属，高温下为体心立方（bcc）的β相，低温下为密排六方（hcp）的α相。钽是强β相稳定元素，其添加能抑制α相形成，促进亚稳相（如α′、α″、ω相）或保留β相，具体取决于钽含量和冷却速率。

研究发现，Ti-Ta合金的弹性模量与钽含量并非简单线性关系。在快速冷却（如增材制造的急冷）条件下，较低钽含量（如<30 wt.%）可能形成高模量的α′马氏体，而中等钽含量（~30-50 wt.%）则有利于形成低模量的正交α″马氏体。当钽含量足够高（>~50 wt.%）时，可完全保留低模量的β相。因此，通过精确控制成分和工艺，可获得弹性模量在50-100 GPa范围内的Ti-Ta合金，虽仍高于皮质骨，但已显著低于商业纯钛（~105 GPa）和Ti-6Al-4V（~110 GPa）。更重要的是，通过设计晶格结构，其有效弹性模量可进一步大幅降低至接近甚至匹配松质骨的水平。除了模量，Ti-Ta合金还展现出良好的拉伸强度（500-700 MPa）和延展性（应变至断裂10-25%）。

表面、腐蚀与生物响应：安全与活性的基石

Ti-Ta合金表面会自然形成一层稳定的钝化氧化膜（主要为TiO₂和Ta₂O₅），这赋予了其卓越的耐腐蚀性，在模拟体液（SBF）中表现出高阻抗和低腐蚀电流密度。其表面亲水性（润湿性）通常优于纯钛，有利于蛋白质吸附和细胞初始附着。为进一步提升生物活性，研究者采用了多种表面改性技术，如阳极氧化构建纳米管、碱热处理生成生物活性羟基磷灰石（HA）层、电化学沉积磷酸钙涂层等，这些改性显著增强了体外细胞响应。

大量的体外和体内研究证实了Ti-Ta合金优异的生物相容性和成骨活性。体外实验表明，与纯钛和Ti-6Al-4V相比，Ti-Ta合金（尤其是经表面改性的）能更好地促进成骨细胞（如MC3T3-E1、MG-63）的粘附、铺展、增殖和成骨相关基因（如ALP、Runx2、OCN）的表达。动物模型（大鼠、兔子、羊）的体内植入实验进一步证明，Ti-Ta合金植入体周围炎症反应轻微，能有效促进新骨形成和骨整合，骨-植入体接触率（BIC）和推出力通常优于或相当于商业纯钛和Ti-6Al-4V对照组。其促骨整合的机制被认为与其生物相容的化学组成、优化的表面特性（亲水性、形貌）以及AM晶格提供的三维多孔结构密切相关。

结论与展望

综上所述，钛-钽二元合金因其卓越的生物相容性、可调的力学性能（尤其是通过成分和晶格设计可匹配骨模量）、优异的耐腐蚀性和良好的体内外成骨活性，成为骨科植入体领域极具前景的候选材料。增材制造技术为制造复杂、个性化的Ti-Ta晶格植入体提供了强大工具，使其在模拟天然骨结构和功能方面迈出了关键一步。未来的研究可进一步集中于优化AM工艺以获得完全均匀的微观结构，探索更复杂的多尺度晶格设计以精确匹配不同部位骨骼的力学和生物学需求，开展长期的临床前和临床研究以验证其安全性和有效性，并推动其向临床应用的转化。