醫(yī)用鈦合金添加元素專利分析

曾彩霞，朱　虹，周　瓏，傅曉亮國家知識產(chǎn)權局專利局專利審查協(xié)作北京中心材料工程發(fā)明審查部，北京　100083

醫(yī)用鈦合金添加元素專利分析

曾彩霞，朱虹，周瓏，傅曉亮
國家知識產(chǎn)權局專利局專利審查協(xié)作北京中心材料工程發(fā)明審查部，北京100083

摘要專利具有新穎性、創(chuàng)造性和實用性的特點，專利信息成為科學研究和新產(chǎn)品開發(fā)的重要信息來源。本文從醫(yī)用鈦合金添加元素專利分析角度入手，就鈦合金成分發(fā)展過程、添加元素的作用、元素添加率和添加元素在元素周期表中的分布四方面進行專利分析。

關鍵詞醫(yī)用鈦合金；專利分析；添加元素

在生物醫(yī)用金屬材料中，鈦合金以其與骨相近似的彈性模量、良好的生物相容性及生物環(huán)境下優(yōu)良的抗腐蝕性得到了越來越多的應用，已經(jīng)成為人工關節(jié)、脊柱矯形內(nèi)固定系統(tǒng)、骨創(chuàng)傷產(chǎn)品、介入性心血管支架、牙種植體等醫(yī)用內(nèi)植物產(chǎn)品的首選材料。按其材料合金成分而言，醫(yī)用鈦合金可分為Ti-Nb系、Ti-Mo系、Ti-Zr系、Ti-Ta系和Ti-Al系合金。專利申請量最大的為TiNb 和TiMo系合金，是目前研究的重點和熱點。

本文所選用的文獻來自中國專利數(shù)據(jù)庫（CNPAT）的40件以及EPODOC數(shù)據(jù)庫的186件涉及醫(yī)用鈦合金成分的專利申請。

1　醫(yī)用鈦合金成分發(fā)展過程

鈦及鈦合金的發(fā)展階段可分為三階段。第一階段是α型鈦合金，以純鈦和Ti-6Al-4V合金為代表。第二階段是α＋β型鈦合金，以Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb為代表。前兩階段醫(yī)用鈦合金彈性模量高于骨的彈性模量，容易造成植入材料與人體骨界面上力學性能的不匹配。第三階段鈦合金為新型β型鈦合金，具有更好生物相容性和更低彈性模量，具有生物相容性好的無毒元素，例如：Nb、Zr、Ta、Sn、Pt、Mo等。新型β型鈦合金主要有Ti-Nb系、Ti-Zr系Ti-Mo系、和Ti-Ta系合金[1]。圖1為鈦合金成分分布圖，從圖中可以看出，Ti-Nb系和TiMo系醫(yī)用鈦合金是研究的熱點和重點，分別占所選用文獻量的43%和18%。

2　醫(yī)用鈦合金中添加元素的作用

專利文獻CN10158090A中提出了鈦常溫下為密排六方晶格，冷加工容易出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，而在882℃以上，密排六方晶格的α相鈦轉變?yōu)轶w心立方晶格的β相鈦，延伸性能出現(xiàn)很大提高。鈦合金如果能保持β相，便有很大的塑性變形能力。

實際應用中常加入一些無毒的合金元素來改善醫(yī)用鈦合金各方面的性能。在醫(yī)用鈦合金中常用添加元素及其在醫(yī)用鈦合金中所起的作用如下：Nb是β同晶元素，能與β鈦無限互溶，有利于鈦合金保持β相的存在，改善鈦合金的冷加工性能，降低鈦基合金的彈性模量。Mo也是β同晶元素，能與β鈦無限互溶。Zr有利于鈦合金保持β相，改善鈦基合金的冷加工性能。Ta為β同晶元素，鈦的穩(wěn)定元素。Al在鈦合金中是一種化合物形成元素，可使鈦合金發(fā)生馬氏體相變，能使合金更加具有超彈性性能和形狀記憶性能。Fe能控制鈦合金的馬氏體相變溫度，可促進室溫下亞穩(wěn)態(tài)的β相的形成。Ce能減少雜質的有害影響，改變夾雜物的形態(tài)和分布，提高抗腐蝕、焊接性能、抗氧化性能、相變超彈性、冷加工性和形狀記憶性能等作用。P、Ca能提高醫(yī)用鈦合金的生物相容性。

3　醫(yī)用鈦合金元素添加率分析

從圖2中可以看出，在醫(yī)用鈦合金中添加Nb元素是最多的，其添加率（添加Nb元素的申請量與醫(yī)用鈦合金合金成分申請總量的比值百分數(shù)）為50%，其次是Zr（37.6%）、Al（27.4%）、Mo（24.3%）、Ta（21.7%）、Fe（15.5%）、V（15.0%）、O（12.8%）、C（10.6%）、N（8.4%）、Si（8.4%）、Cr（8.4%）、Mn（7.5%）、Co（6.6%）、Hf（4.0%）、Ge（3.5%）、W（2.7%）、In（2.2%）、Cu（2.2%）、Y（2.2%）、Au（2.2%）、Mg（1.3%）、Ca（0.9%）、P（0.9%）。

4　醫(yī)用鈦合金添加元素在元素周期表中的分布

由圖3可以看出，醫(yī)用鈦合金中添加成分主要集中在過渡族元素Nb、Mo、Zr、V、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Ta、W、Hf，非金屬元素C、N、O、Si、P、S也有少量添加，以Ce、Y為代表的稀土金屬也有微量添加；其余分布較分散的Mg、Ca 、Ge、In、Au、Pd也有部分添加。圖3不僅給出了添加元素的分布情況，還給出了現(xiàn)有專利技術中各種添加元素的上限值和下限值。通過圖3能快速直觀地了解醫(yī)用鈦合金成分目前的發(fā)展狀態(tài)，其常用添加元素及其元素添加量范圍，對醫(yī)用鈦合金成分的了解和進一步研究具有一定的指導意義。

5　結論

醫(yī)用鈦合金通常分為Ti-Nb系、Ti-Mo系、Ti-Zr系、Ti-Ta系和Ti-Al系列。醫(yī)用鈦合金中添加成分主要集中在過渡族元素Nb、Mo、Zr、V、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Ta、W、Hf，非金屬元素C、N、O、Si、P、S也有少量添加，稀土金屬也有微量添加。在醫(yī)用鈦合金中添加Nb元素是最多的，其添加率為50%。通過鈦合金添加元素在元素周期表中分布圖能快速直觀地了解醫(yī)用鈦合金成分目前的發(fā)展狀態(tài)，其常用添加元素及其元素添加量范圍，對醫(yī)用鈦合金成分的了解和進一步研究具有一定的指導意義。

參考文獻

[1]高智芳，萬怡灶.生物醫(yī)用超彈性β型鈦合金研究現(xiàn)狀[J].材料導報，2011，25（3）：79-83.

中圖分類號C18

文獻標識碼A

文章編號1674-6708（2015）139-0138-01