金属的生物体适合性

Ti-6Al-4V合金对生物体的适合性高，已在人工骨、关节、人工牙根等被广泛利用。但它的耐磨损性比氧化铝或氧化锆低，为此，如果同超高分子量的聚乙稀组合作为人工关节滑动构件使用时，就将使其与Ti-6Al-4V合金产生磨损粉，从而导致人工关节松动的原因。

另外，从Ti-6Al-4V合金熔出来的Ti或Al离子的离子半径分别为，0.047~0.067 nm和0.039~0.053 mn，因此构成骨无机成分的氢氧磷灰石的Ca离子（0.100~0.135 nm）很低，故当这些离子共存时就会阻碍氢氧磷灰石的结晶成长。当V离子极微量时虽能作为必须金属起作用，但对金属钒培养细胞时将会出现很强的毒性。

防止Ti-6Al-4V合金的磨损和熔出的对策有两种方法。（1）是像氧化铝-UHMWPE或氧化锆-UHMWPE的组合那样，使用陶瓷的滑动构件。（2）是在Ti-6Al-4V合金表面注入离子等方法提高质量。如布坎南（Buchanan）或罗斯伦德（Roslund）等人在Ti-6Al-4V合金中注入了N或C离子。

1990年，塔特艾西［Tateishi］等人把Ti-6Al-4V合金在N₂气体中加热氮化了表面，这种表面氮化的Ti-6Al-4V合金对UHMWPE的摩擦或磨损特性比Ti-6Al-4V合金对UHMWPE的特别好，基本上同氧化铝对UHMWPE的摩擦或磨损特性大致相同。还有一个特点是在表面氮化的Ti-6Al-4V合金并没有细胞毒性。

1991年，伊藤敦夫等人所作的实验表明，表面氮化的Ti-6Al-4V合金对UHMWPE的组合所产生的磨损粉比氧化铝对UHMWPE或氧化锆对UHMWPE的组合所产生的磨损粉的毒性低。因气体氮化法与注入离子的方法相比，对其试料的形状或大小的限制少，故一次可处理的试料量多。

利用表面氮化法改变质量

用烧结（S）及锻造（F）制成的钛或Ti-6Al-4V合金具有良好的耐腐蚀性，因为这是金属表面被氧化被膜覆盖而钝化所致的。尤其是不锈钢弱点的点腐蚀或应力腐蚀裂纹几乎没有了，钛或钛合金可举出的缺点之一是耐磨损性低。于是把其试料表面予以气体氮化，然后利用X射线衍射法和硬度测定法对氧化层的特性进行了评价，对各种溶液中的溶解性也作了评价。

表1 用于实验的钛及Ti-6Al-4V合金的化学成分（质量%）

特性评价

表（1）表示在实验所用的烧结（S）钛、锻造（F）钛、烧结Ti-6Al-4V合金、锻造Ti-6Al-4V合金的化学分析值。烧结材是先使其元粉末形成铸铁管[CIP]后，再在真空中以1573 K及10.8 Ks的环境下烧结而成的。锻造钛是商用纯钛，锻造Ti-6Al-4V合金是ASTMF136-84规格品（ELI），两者都经过978 K及5.4 Ks的退火处理。

它们在细胞培养试验用容器（图1）中成形后再在N₂气流中用1123 K及57.6 KS加热氮化了表面。氮化后利用粉末X射线的衍射装置给试料表面以30 KV及10 mA照射了CuKα射线，并测定了其X射线衍射图像。

图1 试料的形状与尺寸

对氮化处理后的氮化层进行测定其威氏硬度的同时，也研究了威氏硬度的深度方向变化情况。若氮化浓度、氮化时间、氮的扩散系数和从表面的深度分别以c，t，D和x表示时，

得，?c/?t=D（?²c/?x²）

当t=0时，金属表面的氮浓度c=0

当t>0时，金属表面的氮浓度c=c₀

假定从金属表面的深度x的氮含有量和威氏硬度的增加量成正比例时，

从而求出其扩散系数D。

其中，V_x，V，V₀分别表示距表面深度x的部分，母材和最表层的威氏硬度，erf是误差函数。

X射线衍射的结果，在表面氮化钛出现了TiN，Ti₂N和dTiNo.3的衍射线，在表面氮化Ti-6Al-4V合金出现了αTi，TiN和Ti₂N的衍射线，但Al和V的氮化物及βTi未检测出来。

图（2）是表示氮化锻造钛和氮化锻造Ti-6Al-4V合金的氮化层之威氏硬度。威氏硬度在氮化锻造钛最表层是1170，氮化锻造Ti-6Al-4V合金最表层是930，从表面往内部就逐步地变小。当深度为50~60 μm时，分别收束为定值120和210，威氏硬度120或210分别相当于母材的威氏硬度，从而搞清了氮化层的厚度为50~60 μm。

图2氮化过的Ti-6Al-4V合金和钛的深度方向的威氏硬度

从威氏硬度的维度看，氮化钛比氮化Ti-6Al-4V合金大，从威氏硬度求出的氮扩散系数，锻造钛为2.97（±0.79）×10^-15 m²/S，锻造Ti-6Al-4V合金为5.61（±1.83）×10^-15 m²/S。

耐腐蚀性评价

对熔化性评价使用的是中性熔化液的生理的食盐水，酸性熔化液是5%磷酸，pH5盐酸，5%盐酸。用中性和酸性两种溶化液的原因是这样，若把材料埋在体内时将同pH7.4的体液接触，因磨损或晶粒边界的溶化将使金属小片游离，当这些游离的金属小片被细胞拉住时在吞解体［phagolysosome］中有水解酶时在pH3~5的磷酸缓冲液中就会被溶化掉。

另外，由于在生物体中溶出的离子不会达到饱和浓度，故评价溶化速度就比浓度的大小显得更重要。为此，要取溶解液量/试料的表积比大一些，以防止在短时间内金属离子浓度就达到了饱和，从而出现有明显的溶解速度之差距。

为此，把氮化的及非氮化的一切试料（表面积32.97 cm²）共8种类，并使试料的凹面向上后放进装有900 cm³溶解液的1000 cm³三角形烧瓶电。把微型的磁搅拌机［30 mm］装入瓶并把硅酮橡胶栓后就放进恒温水槽，该水槽装有搅拌机并保持着310 K。当达到432 Ks（5d）~518 Ks（6d）之间并在5.0~6.7 S^-1时搅拌。

在每种溶解液中各种材料都各放进一个试料，进行溶解试验时对其试料表面的切削面并未加工。为对试验结果进行比较，只有溶解液在同一条件下进行搅拌，始终保持着310 K，按相隔一定的时间各取出15 cm³的溶解液，并利用电感耦合等离子体［ICP］进行化学分析，溶解试验结束后又用扫描电子显微镜［SEM］观察了试验结果。

各种材料在生理盐水中或pH5盐酸中，就是在432 Ks侵渍后其溶出离子也在0.1 g/m³以下，但对其腐蚀性并未发现有什么差异。但在图（3）中显示了各种材料都一样其锻造材的耐蚀性都比烧结材的高，但锻造的溶出量减少到烧结材的60~70%。表面氮化的效果比锻造的效果高，由氮化的溶出量降到非氮化时的10~16%。

图3 在310K5%磷酸溶液中溶解的Ti浓度g/m³，（F）是锻造，（S）是烧结

图（4）表示在5%盐酸中的表面氮化的效果更显著，就是连在耐蚀性差的烧结Ti-6Al-4V合金也通过氮化的溶出量已减少到非氮化时的0.4%，显示了具有同锻造钛大致相同的耐蚀性。

图4 在310K5%盐酸溶液中溶解的Ti浓度g/m³，（F）是锻造，（S）是烧结

各试料的表面性能在生理盐水，pH5盐酸，5%磷酸浸渍下仍未发现有什么变化，但在5%盐酸浸渍时，烧结钛、锻造Ti-6Al-4V合金、烧结Ti-6Al-4V合金的表面一部分被腐蚀并呈现出多孔状态。但经过氮化过的试料及锻造钛在5%盐酸浸渍后，仍未发现表面性能有什么变化。

由α相与β相组成的Ti-6Al-4V合金中的氮的扩散系数同在d相中的扩散系数相接近，与在β相中的扩散系数相比，只有1/170~1/190左右，如像βTi这样的体心立方［BCC］结构。

Ti-6Al-4V合金中的氮的扩散系数之所以接近于αTi中的值，是因为β相在氮固溶浓度还在低阶段时转移于α相，实质上在α相中氮会扩散的缘故。用表面氮化Ti-6Al-4V合金的X射线衍射在未氮化相方面仅检测出了αTi，βTi未被检测出来的情况也同这种想法相一致。

利用本研究法研讨了溶解性的结果，通过氮化处理的各试料的溶解性都有显著地下降，就连溶解性高的烧结Ti-6Al-4V合金通过氮化后，其溶解性下降到同锻造钛差不多。在钛及各种钛合金的溶出金属离子的总量同细胞增殖率等的细胞适合性的参数之间存在着负的相关性，故连烧结Ti-6Al-4V合金通过氮化处理后被认为仍可得到同锻造钛一样的细胞适合性。

氮化钛的溶解性非常低，仅在王水、硝酸和氢氟酸中能少量溶化而已，各种试料在氮化处理后在5%磷酸中也只有0.3~0.5 g/m³的Ti的溶出。本研究的氮化处理是经1123 K加热后不退火就冷却到室温，因而在表面的氮化钛陶瓷层预料会出现裂纹，而且通过这种裂纹有可能会出现母材的溶出。

对生物体适合性高的新钛合金

现在最引人注目的生物体用金属材料是Ti-6Al-4VELI（含极微少不纯物）合金，原来这种合金是作为耐热材料开发出来的，现在也在生物体运用。最近V在微量时也作为必须元素起着作用，但到了高浓度或被氧化而其价数增加时，在局部的或向中枢的毒性会增加，甚至会出现细胞毒性。另外，因Al将同无机磷会结合，故一旦达到高浓度时在血中或骨头会出现磷不足的毛病，这还被怀疑同痴呆症有因果关系。

以上谈到改善既存的钛或钛合金的表面质量是提高它们对生物体适合性的有效手段。但遇到的困难是当它们的数量多时，总是存在着有细胞毒性这种副作用。所以设计适合于生物体的新材料的人就感到有必要开发出在生物体有长期的安全性、稳定性也高、且具有高强度和高延展性的生物体用Ti合金。于是选择V或Al以外的未被发现有细胞毒性的合金合添加于Ti。现把以Ti为基础并已被认为无害的数种合金元素添加而成的新Ti合金的耐蚀性，细胞适合性及机械性质介绍于如下。

（1）合金设计

被选定的合金元素有Zr，Sn，Nb，Ta和Pd等，它们都被认为具有可提高机械特性及耐蚀性而且在单体中尚未发现有细胞毒性。把Sn和Zr视为对增加强度具有很有增加效率并把它们列为第2添加元素，添加Nb的目的是它作为α-β2相组织有助于提高热加工性的β稳定化元素。从熔化性观点出发，高融点金属的Nb和Ta的添加比例就少一些，从脆化相析出着想，属于β共析型元素的Pd添加比例最少，结果采用的合金成分是Zr，Sn是质量20%以下，Nb为8%以下，Ta为4%以下，Pd为0.2%以下。

（2）熔解、锻造、热处理

把未被指出含有细胞毒性的Zr，Sn，Nb，Ta和Pd等作为合金元素添加的各种Ta-（0~20%）Zr-（0~20%）Sn-（4~8%）Nb-（2~4%）Ta-（0~0.2%）Pd合金利用真空电炉电孤熔解熔炼。把600克重的铸块以1373 K保持7.2 Ks后再通过锻造制成Φ35 mm×160 mm的圆棒料，然后用1223 K加热后再利用α-β锻造制成Φ15 mm的圆杆，锻造后为了除去内部畸变又以973 K~7.2 Ks退火。

⑶耐蚀性

先从试料制作10 mm×10 mm×5 mm厚的试验片，而后把这些试验片在310 K，5%硫酸及5%盐酸中作阳极（anode）试验及浸渍试验等后予以评价其耐蚀性。

阳极的分极试验方法是，把试料仅留下1 cm²而把其余部分用环氧树脂覆盖，用#600的耐水纸抛光后，以3.6 Ks纯氮（99.9998以上，O₃<0.3 ppm）脱气（3.3 cm³/S），在自然电位稳定后（约保持120 S）在0.3 mV/S的扫描速度条件下，作一900 mV-300 S的阴极处理。这时在异性极用的是白金电极而在参考电极用的是饱和甘汞电极。由于在测定中在电解液表面喷涂了纯氮气体，从而防止了氧气的混入。

浸渍试验方法是，把抛光后的试验片放进装有5%盐酸1000 cm³及小型磁搅拌器的容积为1000 cm³三角烧瓶，然后把烧瓶放入于装有310 K的搅拌器的恒水槽，以8.3 S^-1作了864 Ks的搅拌，而后从溶液中每一次各抽出172.8 Ks，并用ICP测定了Ti浓度。

Ti合金的耐蚀性由于在合金表面形成极薄的氧化被膜（不动态被膜）而进一步提高。并用阳极分极试验法评价了不动态被膜容易形成的程度和已形成的不动态被膜的稳定性。在阳极分极试验中被测定的不动态化电流密度（1crii）愈低、不动态被膜就愈容易形成。为保持不动态被膜所需的不动态维持电流密度（本研究是对+0.6 V_vsS_ck中的电流密度的评价）愈低，其不动态被膜就愈稳定。无论在5%硫酸还是在5%盐酸中都获得了同样的倾向。不动态电流密度经过试验后也弄清了，如果添加Pd，Ta，Nb，Zr就会使不动态电流密度减少且使不动态化容易，其耐蚀性也有所增加，但若添加Sn时，其不动态化电流密度就会增加。

就是添加合金元素时其不动态化维持电流密度也出现了同样变化的倾向，尤其添加0.2%Pd时的效果特别明显。利用阳极分极试验所得的结果同在大气中864 Ks的浸渍试验所得的Ti熔出曲线的变化一致。

根据以上结果，决定把Ti-15%Zr-4%Nb-2%Ta-0.2%Pd的Zr系同Ti-15%Sn-4%Nb-2%Ta-0.2%Pd的Sn系两种类作为生物体用候补合金研讨了其各种特性。从而弄清了在大气中864 Ks的Ti熔出量，Ti-6Al-4VELI合金是52 ppm，Sn系合金是1ppm，Zr系合金是0.4 ppm，可见在生物体这样严厉环境中，Zr系合金具有优越的耐蚀性。

（4）细胞适合性

从试样合金和Ti-6Al-4VELI合金中切出抑Φ30 mm×2 mm的圆板和1.0 mm×10 mm×5 mm厚的砖块［block］。把圆板的表面粗度加工为Ra=1μm，洗净后393 K，以180 S进行的高压灭菌［autoclave］，利用含有10%FBS（牛胎儿血清）的EagleMEM［鹰的最少必须培养液］在圆板上培养了L929［鼹鼠的线维芽细胞由来的培养细胞］的细胞。砖块试料的表面用#600耐水纸加工后，用高压灭菌以393 K的超钝水100 cm³抽出43.2 Ks或86.4 Ks。

把抽出液和含有20%FBS 2倍浓度的Eagle MEM培养基混合为1：1培养了L929细胞。用电脑计算细胞的个数，从而取得259.2 Ks（3d）及345.6 Ks（4d）的相对增殖率［细胞数/控制的细胞数］，实验是独立地反复进行34~11次。

无论添加Zr，Nb，Ta，Sn和Pd的任何一种合金元素，其相对增殖率不会有意地下降，各种合金同Ti-6Al-4VELI合金相比，细胞适合性两者相等或前者超过后者，如表（2）所示。

表2对Ti-Zr-Nb-Ta-Pd系及Ti-Sn-Nb-Ta系合金的细胞相对增殖率

（5）机械性质

抗拉试验是按平衡部6.25 mm（Gl：25 mm）的美国工具及制造工程师学会在常温时进行的。但无论哪一次实验使用的比较材都是Ti-6Al-4VELI合金。

利用固溶体强化的高强度化，中性元素的Zr和Sn有效。其中Sn比Zr的效果大，属于B稳定化元素的Nb，Ta和Pd对强度的添加效果较小。Ti-15%Zr-4%Nb-2%Ta-0.2%Pd合金的拉伸强度是725 MPa，但Ti-15%Sn-4%Nb-2%Ta-0.2%Pd合金是989 MPa，它比Ti-6Al-4VELI合金的860 MPa高。另外，要谋求不降低展性而且高强度化时，添加微量的氮气及氧气可取得好效果。

图5 Ti-Zr-Nb-Ta-Pd系合金的拉伸性质

图6 Ti-Sn-Nb-Ta-Pd系合金的拉伸性质

小 结

开发掺杂在生物体内并长期间使用的人体用新金属材的方针，首先必不可少的是要考虑到金属原材料本身对人体的适合性及可提高其耐久性的材料设计。具备了这些条件就能确保有带负荷能力的人体构件。为改善耐蚀性、耐磨损性及人体适合性，那就要利用可利用的有助于提高各种构件的表面质量的一切技术，使其表面层陶瓷化。要防止表面层剥落时，其有效的办法是使其材质从表面逐渐地向着深度方向变化，即实施倾斜功能化，其中一例就是上面提到的利用气体氮化的Ti合金的TiN化。

［日本金属学会会报，1992年6月号］