抗疲劳断裂和压扁的TiNbSn合金脊柱棒

《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：TiNbSn alloy spine rods resistant to fatigue fracture and flattening

　　

花田修二|庄山仁|相泽敏美|森裕|桥本浩|半星智|松本广明

日本仙台市青叶区片平2-1-1，东北大学材料研究研究所，邮编980-8577

摘要

在用于脊柱畸形矫正手术的Ti-6Al-4V和CoCrMo脊柱棒中，疲劳断裂和变平问题至今仍未解决。为了解决这些问题，我们提出一种假设：疲劳断裂源于晶体缺陷和残余应力，而变平则由鲍辛格效应引起。为了验证这一假设，我们采用一种专门设计的棒材固定装置，将经过挤压加工的TiNbSn棒在400°C下加热5小时，以实现“温态成形”，从而在最小化塑性变形的同时减少晶体缺陷。经过温态成形的TiNbSn脊柱棒在凹面和凸面处均具有约150 MPa的压应力，而通过弯曲机将Ti-6Al-4V脊柱棒成形为R120形状后，其凹面处则存在约400 MPa的拉应力。

三点弯曲试验表明，通过弯曲机成形为R120形状的Ti-6Al-4V、CoCrMo以及经过400°C下加热5小时处理的TiNbSn脊柱棒，在反向载荷作用下屈服载荷极低（低于200 N），而无需使用弯曲机、通过温态成形为R120形状的TiNbSn脊柱棒在反向载荷作用下的屈服载荷则非常高（约为1000 N）。根据残余应力测量结果和三点弯曲性能测试结果，可以得出结论：经过温态成形的TiNbSn脊柱棒具有抗疲劳断裂和抗变平的能力。

引言

生物医学用Ti-6Al-4V合金（组成相为六方密堆积结构的α相和体心立方结构的β相）以及CoCrMo合金（组成相为面心立方结构的γ相和六方密堆积结构的ε相）被广泛用于脊柱畸形矫正手术中的脊柱棒。这两种合金的生物力学性能，如屈服应力、抗拉强度、杨氏模量、疲劳强度以及断裂韧性等存在差异（Long等人，1998；Nissen等人，2018）。因此，脊柱外科医生在手术规划时会根据这些性能指标来选择合适的合金，尤其是抗拉强度和杨氏模量。许多脊柱外科医生认为，高杨氏模量和抗拉强度的脊柱棒能够产生更大的矫正力，而低杨氏模量的脊柱棒则能使手术操作更加轻松（Serhan等人，2013；Angelliaume等人，2017；Ruffill等人，2022）。

然而，在选择脊柱棒材料时，除了考虑所需的矫正力和手术操作方案外，还必须考虑如何避免因材料疲劳导致的脊柱棒断裂问题。过去几十年来，已有许多关于脊柱植入手术后脊柱棒发生疲劳断裂的病例报告，这类情况会严重影响患者的生活质量（Smith等人，2012；Smith等人，2014；Barton等人，2015；Hamilton等人，2017；Lertudomphonwanit等人，2018；Jung等人，2020；Yamauchi等人，2024；Lee等人，2024）。不过，只有少数研究致力于探索使用新型合金或采用新的脊柱棒制造工艺，以预防因疲劳导致的脊柱棒断裂。

与现有脊柱棒相关的另一个问题是青少年特发性脊柱侧弯手术后的脊柱棒变平现象，这种现象会导致脊柱出现意外的错位（Cidambi等人，2012；Serhan等人，2013；Kokabu等人，2016；Navéaux等人，2017；Ayers等人，2017；Nissen等人，2018；Kluck等人，2020；Prost等人，2021；Boissiere等人，2024）。脊柱棒变平现象并不仅限于青少年特发性脊柱侧弯，在成人脊柱畸形中也有出现，尤其与术后矢状面失衡以及长节段胸腰椎融合术后的脊柱棒断裂高发率有关（Prost等人，2020）。脊柱棒变平会导致手术后期脊柱对齐状态出现意外变化，但目前对此现象的理解仍十分有限。尽管这一现象对临床实践有着重要影响，但手术规划往往还是依赖于经验判断，而非基于对相关机制的深入理解。由于目前还没有令人信服的解释来说明脊柱棒变平的原因，大多数脊柱外科医生通常还是依靠自身经验来进行术前手术规划（Solla等人，2020）。因此，明确脊柱棒变平的机制，并开发出具有抗变平能力的脊柱棒，对于实现术后脊柱的三维良好对齐至关重要。

本研究旨在验证这样一种假设：疲劳断裂是由晶体缺陷，如滑移带和微裂纹，以及术前或术中成形过程中由于塑性变形而产生的轴向拉应力所引起的；而脊柱棒变平则是由于成形过程中脊柱棒凹面处受轴向拉应力影响而产生的鲍辛格效应所致。为了验证这一假设，我们制备了TiNbSn脊柱棒，并将其残余应力及三点弯曲性能与Ti-6Al-4V和CoCrMo脊柱棒进行了比较。选择TiNbSn合金作为替代材料是基于以下考虑：TiNbSn合金在水中淬火后会形成体心立方结构的β相，经过挤压加工后会形成体心立方结构的β相与正交结构的α”马氏体，而在400°C下加热5小时后则会形成体心立方结构的β相与六方密堆积结构的α相沉淀物。这种合金最初是为人工髋关节柄而研发的（匿名，2005、2011、2014、2021），目前这些髋关节柄仍在实际应用中（匿名，2021）。因此，关于该合金的生物力学性能已有大量研究数据可供参考。

我们将一根未经挤压加工的TiNbSn棒放入棒材固定装置中进行弯曲处理，随后对其进行热处理（即“温态成形”），从而在尽可能减少塑性变形、降低晶体缺陷的同时，保持旋转挤压过程中形成的压应力。这种热处理还有助于促进沉淀强化效应的产生。我们测量了通过弯曲机成形为R120形状的Ti-6Al-4V、CoCrMo以及经过400°C下加热5小时处理的TiNbSn脊柱棒的残余应力，并将其与未经弯曲机处理、通过温态成形为R120形状的TiNbSn脊柱棒的残余应力进行了比较。此外，我们还研究了直状以及经过成形处理的Ti-6Al-4V、CoCrMo和TiNbSn脊柱棒在正向载荷和反向载荷作用下的三点弯曲性能，以此判断鲍辛格效应是否存在。通过比较使用弯曲机成形的商业Ti-6Al-4V和CoCrMo脊柱棒与未使用弯曲机成形的TiNbSn脊柱棒的残余应力及三点弯曲性能，本研究旨在进一步加深我们对脊柱棒疲劳断裂和变平现象的理解。

章节摘录

材料与方法

我们通过真空电弧重熔法制备了一块重量为100公斤的TiNbSn合金锭，其名义成分分别为钛33.6质量%、铌4质量%、锡4质量%。该合金锭首先在1100°C下进行热锻处理，然后在室温下放入流动的清水中于700°C处淬火。之后，我们在室温下将这根合金棒进行旋转挤压，使其直径从原来的尺寸变为6毫米或5.5毫米，且无需进行中间退火处理。经过热锻和淬火处理后的合金棒的化学成分分别为钛33.2质量%、铌3.85质量%、锡3.85质量%，同时还含有0.014%的碳、0.060%的氧、0.005%的氮以及0.01%的铁。

拉伸性能与断口特征

表1汇总了商业Ti-6Al-4V和CoCrMo脊柱棒以及未经挤压加工和经过温态成形的TiNbSn脊柱棒的拉伸性能数据。表中所列数值为每种合金的4个试样测量值的平均值。经过温态成形的TiNbSn脊柱棒的抗拉强度为1273 MPa，这一数值与之前的一项研究结果（匿名，2014）中的1270 MPa基本一致。这两个数值都高于Ti-6Al-4V的1028 MPa抗拉强度；不过，TiNbSn合金的杨氏模量则为51 GPa。

影响疲劳断裂的晶体缺陷

在手术过程中，使用法国式弯曲机对脊柱棒表面进行处理时，会在其表面形成凹槽，这些凹槽通常会成为疲劳裂纹的起始点，进而导致术后脊柱棒发生断裂。为了避免这种情况，最近有一种新的脊柱棒制造工艺被开发出来。该工艺利用带有成型模具的压力机，在室温下制造出各种形状和尺寸的Ti-6Al-4V和CoCrMo合金预弯曲脊柱棒。具体操作方法是把直状的脊柱棒置于模具之间进行加压。

总结

为了解决Ti-6Al-4V和CoCrMo脊柱棒存在的疲劳断裂和变平问题，本文提出了一种制造预弯曲TiNbSn脊柱棒的新方法。为了尽量减少塑性变形，避免形成可能成为疲劳裂纹起始点的晶体缺陷，我们将未经挤压加工的TiNbSn棒放入装有棒材固定装置的炉子中，在400°C下加热5小时，以实现“温态成形”，这一过程既有助于保持材料的形状，又能促进沉淀强化效应的产生。经过温态成形的TiNbSn脊柱棒

作者贡献声明

松本广明：撰写——审阅与编辑、可视化分析、实验研究。半星智：撰写——审阅与编辑、可视化分析、实验研究。桥本浩：撰写——审阅与编辑、监督工作、资源提供。森裕：撰写——审阅与编辑、监督工作、资源提供。相泽敏美：撰写——审阅与编辑、监督工作、资源提供、方法设计、概念构思。庄山仁：撰写——审阅与编辑、可视化分析、监督工作、方法设计、实验研究、概念构思。

未引用参考文献

Demir和Dierk Raabe，2010；Lavogiez等人，2023；Long和Rack，1998；Lavogiez等人，2023；Sinha等人，2006。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

数据可用性

相关数据可应要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

作者们要衷心感谢宫城县工业技术研究所的D. Shinohe先生，感谢他提供的宝贵技术支持。