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生物相容性钛钼锆钽体系合金的力学特性和体外检测
在特定的医疗应用中，材料的选择和包含这些材料的元素的设计被称为“适当的期望”。这个术语没有考虑到植入后患者生活中发生的变化，但具有在植入前指导技术选择的作用。它包括尝试设计最可持续的生物材料和最能满足患者需求的最佳表面。
当进行评估生物材料-组织界面相互作用所需的测试时，根据材料因素，特别是与表面相关的因素，考虑可能影响组织反应以及生物材料反应的客观和主观因素，以正确解释结果。
植入物替换的成功在很大程度上取决于组织和合成材料之间的界面，在该界面处可以获得完全不同的效果。虽然保持与血液接触的植入体通常需要具有最小相互作用的血液接触植入体，但是骨结合植入体必须具有强相互作用，以便获得高粘附力。骨整合可受到表面结构和形貌及其成分的影响。
由于老年人在地球人口中所占的比例越来越大，对整形外科植入物的需求也越来越大，导致这种植入物的消费增加。因此，医生和生物医学研究人员需要做好准备，以应对世界各地各种疾病或创伤中日益增长的医疗保健需求。传统的生物材料基于聚合物、陶瓷和金属；目前，最常用的生物材料是基于金属，尤其是钛基合金。
Ti-6Al-4V合金是第一种将Ti特有的生物相容性与至少与常规材料一样好的机械性能结合起来的钛合金。它是医学上使用最广泛的钛合金之一，具有低耐磨性、高弹性模量(比人骨高约4-10倍)和低剪切强度。该领域的研究表明，由于组合物中钒和铝的存在，在植入术中使用这种合金存在毒性反应的风险。钒具有很高的细胞毒性，铝甚至可以诱发老年痴呆症。
由于考虑到作为合金一部分的合金元素必须属于无毒元素的范畴，所以越来越多地研究Ti-Mo合金，其具有足够的性能，并可用于植入学应用。与其他传统生物材料相比，与各种生物相容元素形成合金的Ti-Mo合金显示出优异的机械性能，例如高拉伸强度和低得多的弹性模量(接近人骨的弹性模量)。研究表明，α + β合金具有令人满意的特性，特别是具有优异的机械性能，以及α合金增强的耐腐蚀性和抗氧化性。另一方面，β型合金——由于稳定元素Mo、Ta和Nb——具有增加机械强度和接近人骨的弹性模量的优点，这是生物材料在医学领域长期使用的重要方面。
为了避免骨科应用中常用的钛合金的缺点，将无毒元素(Mo、Zr和Ta)添加到纯钛的金属基质中，以增强机械和生物性能。本文从力学和体外生物相容性的角度对Ti20Mo7Zr5Ta、Ti20Mo7Zr10Ta和Ti20Mo7Zr15Ta三种合金进行了研究。
钛钼锆钽合金的获得
生物材料的加工对合金设计参数的研究和加工设备的技术参数都有特殊的要求。使用MRF ABJ 900真空电弧重熔设备从Ti-Mo-Zr-Ta系统获得三种合金(Ti20Mo7Zr5Ta、Ti20Mo7Zr10Ta、Ti20Mo7Zr15Ta)。
形态和结构分析
为了突出显微结构方面，使用显微镜Zeiss Axio成像仪A1进行高精度光学图像的光学分析。将合金切割成精确的尺寸(10×10-5mm)，并在Tegramin研磨和抛光设备上适当制备。由Struers提供的DiaPro Allegro/Largo 9 m用于高性能金属研磨，这涉及一种稳定的钻石悬浮液，其中含有高性能钻石和冷却润滑剂的独特混合物。用于突出微观结构的试剂是:10毫升HF、5毫升HNO3、85毫升H2O。
拉伸测试
带有用于拉伸测试的液压箱的INSTRON 8800万能试验机(100千牛)用于测试Ti-Mo-Zr-Ta合金。通过以恒定速度沿其主轴伸长直到断裂来测试样品。该试验在环境温度下以0.5 N/min的应力速率进行，这允许在特征曲线σ-ε(应力-应变曲线)上采集尽可能多的基本点。标距长度为40 mm的样品用于拉伸测试。伺服液压测试设备根据ASTM、ISO和其他行业特定标准对材料和产品进行拉伸、压缩、弯曲、剥离和其他机械测试。
断口检验
进行断口分析是因为大多数有缺陷的材料都有裂纹和表面特性，这提供了断裂如何发生的独特指示，因此也提供了脆性与断裂模式的关系。每个化学分析和机械测试都有自己的取样要求。
Ti-Mo-Zr-Ta合金试样经拉伸断裂试验后，进行了断口分析。扫描电子显微镜用于分析断裂表面，样品根据所用的显微镜技术制备。用于检测显微镜室内信号的传感器可以是ETD(二次电子系统)、X射线，和BSED(反向扩散电子系统)。检测系统从这些类型的传感器捕捉信号，将其转换为放大的电信号，然后将其发送到计算机进行处理，并在监视器上显示图像。Inspect S显微镜的检测模式可以在鼠标光标和显微镜图形操作界面的帮助下快速轻松地切换，包括两种变体:高级真空(高真空)和初步真空(低真空)。
体外细胞相容性试验
为了证明精心制作的合金的体外生物相容性，在特定尺寸(5±5mm)下取样，并通过MTT(即3-(4，5-二甲基噻唑-2-基)-2，5-二苯基四唑溴化物)比色分析进行评估，这允许定量活细胞的数量，因为细胞由于线粒体酶活性而具有减少甲(作为深蓝色晶体)的MTT的能力。为此，将Ti-Mo-Zr-Ta合金样品与HOS细胞，通过直接接触的方式，分别进行3天和9天。
在MEM培养基补充有10%胎牛血清(FBS)，2% L-谷氨酰胺和1%抗生素(青霉素-链霉素)。对于3天试验，在24小时后更新培养基，在9天试验的情况下，在1天后第一次更新培养基，然后以48小时的既定间隔更新。在特定时间的共孵育后，用磷酸盐缓冲盐溶液(PBS)冲洗细胞，用MTT染料溶液处理，并在标准条件下孵育3小时，以确保在活细胞内形成甲晶体。此后，除去染料液体，在连续搅拌下用二甲基亚砜(DMSO)溶解甲15分钟，并通过酶标仪(FilterMax F5多模式酶标仪；分子装置)在波长为所研究合金的最终生存力曲线(VP)表示为对照井生存力的百分比。
微观结构分析
钛有两种同素异形体。在低温下，它具有六方晶体(cph)的闭合结构，称为α，在883♀C以上，它具有面心立方结构，称为β。纯钛从α到β的转变温度根据合金元素的性质而升高或降低。α相和β相也是公认的钛合金分类的基础。只有α稳定剂，完全由α相组成的合金称为α合金。一种含有多种β稳定剂的合金，其中可以保留β相通过快速冷却，被称为亚稳β合金。
在所有常规钛合金中，从α到β的演变起着重要的作用，对显微组织和机械性能有主要贡献。针状或片状结构的合金通常被称为β结构。
图1显示了Ti-Mo-Zr-Ta系统中合金的最终微观结构。图1a一种可以观察到的大颗粒边界的β和α菌落就在它们内部。图1b、c示出了由于Ta (β元素)浓度增加而具有层状结构的主要β微结构。
图1.光学显微镜图像:(a) Ti20Mo7Zr5Ta，(b) Ti20Mo7Zr10Ta，(c) Ti20Mo7Zr15Ta。
拉伸强度试验
对金属材料在技术领域中的实用性的评价是基于对其性能的了解。除了化学和物理性质外，还必须了解机械和技术性质，这些性质提供了其操作行为和加工可能性的指示。
Ti-Mo-Zr-Ta样品通过在纵轴上施加渐进拉伸载荷进行拉伸强度测试。数字2 说明了特征应力/应变曲线和表1 给出了所研究合金的结果数据。这些结果允许对材料的行为进行评估。
机械性能决定了为特定应用选择的材料类型。一些最重要的性能是硬度、抗拉强度、模量和伸长率。材料对重复循环载荷或应变的反应由材料的疲劳强度决定，这一特性决定了植入物在循环载荷下的长期成功。如果植入物由于强度不足或骨和植入物之间的机械性能不匹配而断裂，这被称为生物力学不相容。骨材料应该具有与骨相当的模量(大约20 GPa)。现有的植入物材料比骨更硬，阻止了必要的应力传递到邻近的骨，导致植入物周围的骨吸收，从而削弱了植入物。这种导致骨细胞死亡的生物力学不相容性被称为“应力保护效应”。因此，应使用更接近骨的高强度和低模量的良好组合的材料进行植入，以避免植入物的弱化，并延长使用寿命和避免翻修手术。
这些性能推荐Ti-Mo-Zr-Ta合金作为医疗应用的理想材料，特别是用于整形外科手术。
断口分析
图3和图4(放大倍率100倍)，给出了Ti20Mo7Zr5Ta和Ti207Zr10Ta合金断裂区的宏观图像。观察到混合断裂区域(韧性和脆性)和拉伸/颈状断裂区域，图3b和图4b显示了韧性断裂区域的细节。这些类型的破损在钛合金中非常常见。
钛钼锆钽合金的体外细胞相容性
图6中示出了所研究的Ti-Mo-Zr-Ta合金在3天和9天后获得的生存能力曲线，表示为对照孔细胞活力的百分比。HOS成骨细胞样细胞(衍生自人骨肉瘤的细胞系，表型上接近成骨细胞)在本研究中用作成骨细胞的细胞模型，其被很好地表征和验证以测试许多生物材料的生物相容性。
图6.细胞生存能力曲线(%)；平均标准差；n = 3)的HOS细胞:Ti-Mo-Zr-Ta合金样品对培养3天和9天(即3天和9天)后的HOS细胞生存力的影响。在9D后，合金样品之间的存活曲线没有显著差异(p > 0.05)。(∫)3D时两者差异显著(p < 0.05)。
本研究中获得的细胞相容性数据不以任何方式表明实验用Ti-Mo-Zr-Ta合金的最佳体内行为及其在生物医学应用中的潜在用途。在这种意义上，应该指出的是，生物材料和身体组织之间的界面非常复杂，在完全理解和评估这些界面上发生的事件，即表面上的化学和离子分布的情况下，这可以导致植入物的长期成功，所述表面上的化学和离子分布可以有意地诱导介导体内细胞反应和植入物的进一步骨整合所必需的效应。在这个意义上，应该指出的是，生物材料和骨细胞/组织之间的体内相互作用总是比实验室实验更复杂(即，静态条件，具有微环境中离子浓度增加的风险以及随后对细胞生长的抑制作用)，这可以导致植入物在动物模型和/或流体动力学条件下的真实生物医学应用中的长期成功(即，骨-植入物界面处的体液流动和质量转移)；即表面上的化学和离子分布可以诱导适当的效应来介导体内细胞反应和植入物的进一步骨整合。
本文介绍了Ti20Mo7Zr5Ta、Ti20Mo7Zr10Ta和Ti20Mo7Zr15Ta三种合金的结构和力学性能以及生物相容性。
所研究的合金的结构是β型合金特有的，这是由于在钛合金的成分中存在Mo和Ta合金元素。Ti20Mo7Zr5Ta合金显示具有大β型晶粒的结构，而其它合金(Ti20Mo7Zr10Ta和Ti20Mo7Zr15Ta)显示枝晶结构。
拉伸试验提供的机械性能显示平均拉伸强度为1043.09 MPa和低弹性模量，这表明所开发的合金与市场上的其他生物材料相比具有良好的机械性能，这表明它们在未来的整形外科应用中是有用的。
断口分析提供了拉伸试验期间合金断裂的各个方面，其特征为混合断裂模式(韧性和脆性)，其中一些主要表现为韧性断裂(Ti20Mo7Zr5Ta)。
在使用MTT方法研究的合金上进行的体外试验表明，与对照培养物相比，在共培养3天和9天后，存活率水平均为70%。所研究的合金无毒，可用于未来的体外研究和后续的生物医学应用。
