低磁化率鋯合金的研究進展

李飛　李強

摘要：金屬植入物在磁共振成像（ magnetic resonance imagmg，MRI）診斷中常產生較大的偽影，嚴重降低MRI圖像的質量，進而影響病理診斷分析。降低金屬植入物的磁化率是降低MRI偽影的有效途徑。醫用鋯合金以其優良的生物相容性，優越的綜合力學性能和較低的磁化率成為近年來的研究熱點。回顧了鋯合金的發展歷史，分析了相組成和合金元素對鋯合金磁化率的影響，詳細介紹了Zr-Nb合金、Zr-Mo合金、Zr-Ru合金等低磁化率鋯合金的研究現狀，展望了鋯合金作為醫療器械候選材料的發展前景。

關鍵詞：磁共振成像；偽影；磁化率；鋯合金

中圖分類號：TG 341 文獻標志碼：A

磁共振成像（magnetic resonance unagmg，MRI）是骨科和腦外科使用的一種重要的診斷方法。該方法無需X射線照射，可無創獲取人體的各種橫斷面圖，具有顯著的診斷優勢[1]。在臨床使用的金屬植人物中，不銹鋼和Co-Cr合金為強順磁性合金，其磁化率為8.0xl0-6～4.4X10-4 cm3／g[2]。Ti及鈦合金為弱順磁性材料，磁化率為2.5×10-6～3.7×10-6 cm3/g[3]。這兩類合金都會在MRI儀器的強磁場中發生磁化，從而導致植入物發熱、移位，在圖像中產生偽影[4-6]。這些偽影會扭曲植入物周圍器官和組織的圖像，妨礙醫生的準確診斷[7]。影響MRI診斷的偽影區域與植人物的磁化率有關[8-10]，并且隨著磁化率的降低而減小[11-12]。因此，降低金屬植入物的磁化率是降低乃至消除MRI成像中的偽影的有效途徑。

Zr的磁化率低，細胞毒性低，且與Ti均處于IVB族，二者的物理性質和化學性質相似[13-14]。純Zr和鋯合金具有優良的耐腐蝕性能和生物相容性，成骨細胞在其表面黏附、增殖和分化的響應不亞于Ti-6AI-4V合金[15-17]。通過適當的合金化，在保證力學性能的前提下進一步降低鋯合金的磁化率，可使其更適宜于在MRI環境中使用。本文系統地介紹了影響合金磁化率的因素以及低磁化率的鋯合金的研究現狀，并展望了鋯合金作為醫療器械候選材料的發展前景。

1 鋯合金的發展歷史

鋯合金在生物醫學領域的研究可追溯到20世紀90年代初。這一階段，Zr因其耐腐蝕性能優良且是無毒性金屬，常作為合金元素被用于Ti基生物醫用材料，用來提高材料的性能。采用Ti-Zr合金制造組織替代物，相比于純Ti和Ti-6AI-4V合金，顯示出更接近骨的彈性模量，很好地降低了應力屏蔽效應[18-20]。隨后，將更多的Zr添加到Ti中，發現Ti-Zr合金晶粒細化明顯，強度升高，其強度高于純Ti，與Ti-6AI-4V合金的相當[21]。通過進一步添加Nb發現，Ti-Zr-Nb合金在腐蝕和摩擦磨損環境中的損傷程度明顯小于Ti-6AI-4V合金的[22]。

21世紀初，鋯合金的生物相容性和細胞毒性被系統地研究，為鋯合金進一步作為植入物材料奠定了基礎。Saldana等[23]通過對純Zr進行強烈塑性變形獲得了超細晶Zr，并對其進行生物相容性試驗，發現其誘導成骨分化的能力與Ti-6AI-4V合金的相當，細胞生長未受到抑制。林培杰等[24]對Ti-Zr合金在口腔修復中的應用和生物毒性進行了研究，結果表明，除l例患者牙齦紅腫、充血外，其余患者恢復良好，并未發現其他不適反應。王勇等[25]在患者跟蹤調查中對口腔修復材料Ti-Zr合金進行了生物毒性研究，發現細胞生長未受到抑制，相對于陰性對照組（negative control group，NCG），其細胞增殖率為99%，表明Ti-Zr合金作為口腔修復材料具有良好的耐腐蝕性，且生物安全性高。

近10年來，MRI在醫學上的應用越來越廣泛，但在影像中金屬植入物產生的偽影始終困擾著醫生。大量的研究表明，偽影的產生是因為金屬植入物在MRI的強磁場中被磁化，從而對正常磁場區域進行干擾，扭曲了植入物附近的MRI圖像[26-27]，金屬植入物產生的偽影會隨著金屬磁化率的降低而減少，甚至消失[28-30]。目前廣泛用作硬組織植入物金屬材料的磁化率都比較高，如不銹鋼的磁化率約為4.40x10_4 cm3/g[2]; Co-Cr合金的磁化率約為7.50x10_6 cm3/g;純Ti的磁化率為3.OOx10_6 cm3/g;Ti-6AI-4V合金的磁化率為3.50x10_6 cm3/g; Ti-6AI-7Nb合金的磁化率為2.80x10_6 cm3/g[31。它們在MRI中產生的偽影面積也比較大[11]。相對于Ti及鈦合金，鋯合金的磁化率比較低，如2r-3Mo合金、2r-6Nb合金、2r-9Nb-4Sn合金、2r-4Mo-4Sn合金，其磁化率分別為1.04x10-6， 1.14x106， 1.294x10-6，1.22x10-6 cm3/g，僅為鈦合金的1/3左右，使其成為低偽影植人物的研究熱點[31-34]。

2 鋯合金磁化率的影響因素

2.1 合金元素

表1列出了主要純金屬的磁化率[35]。不同金屬的磁化率存在較大的差異。當純Zr與具有較高磁化率的金屬元素形成合金時，其磁化率通常升高，如Zr-1Ti合金的磁化率為1.35x106 cm3/g[361;當Zr與具有較低磁化率的金屬形成合金時，其磁化率通常降低，如2r-3Mo合金的磁化率為1.04x106 cm3/g[31]。選擇恰當的合金元素，是獲得低磁化率鋯合金的有效途徑之一。

2.2 相組成

室溫下，純Zr為密排六方結構的α相，此外，鋯合金還存在密排六方結構的α'相（針狀）、體心立方結構的p相（等軸）、六方晶體結構的（相（類針狀），這些相的力學性能有一定差異，磁化率也不同[31]。各相的磁化率從大到小排序為α相、β相、α'相、ω相[3]。以∞相為主的鋯合金的磁化率最低，但∞相硬而脆，且彈性模量很高；p相雖然磁化率較高，但其塑性高，韌性好，彈性模量低。調整相組成，是獲得具有滿足力學性能要求的低磁化率鋯合金的另一個有效途徑。

3 低磁化率鋯合金的研究現狀

3.1 Zr-Mo合金

Zr-Mo合金的磁化率隨著Mo的質量分數的變化如圖1所示[31]。Zr-Mo合金的磁化率在Mo的質量分數為O～l%時，由于出現α'相而突然下降；隨著Mo的質量分數的增加，ω相的出現，磁化率繼續降低；當Mo的質量分數為3%時，其磁化率最低，為1.04×10-6 cm3／g；Mo的質量分數進一步增加，∞相逐漸減少，磁化率逐漸升高；當Mo的質量分數大于10%時，Zr—Mo合金為單一p相，磁化率穩定在1.287×10-6 cm3／g左右。磁化率隨Mo的質量分數的變化而變化，是由相組成的變化導致的。圖2為鑄態Zr—Mo合金的光學顯微組織圖。在Zr—lMo合金和Zr一2Mo合金中發現，粗大的等軸p晶粒中分布著針狀結構的α'相；在Zr一3Mo合金中，針狀α'相消失，僅觀察到等軸p晶粒，但透射電子顯微鏡觀察結果顯示，Zr一3Mo合金中存在大量的∞相；在Zr一5Mo合金和Zr-IOMo合金中觀察到類似于2r-3Mo合金的顯微組織。如圖3所示，相對于其他生物醫用合金，鑄態2r-3Mo合金的磁化率最低，只有Ti-6AI-4V合金的30%左右。但由于存在大量的∞相，它的韌性和延展性比較差，彈性模量也比較高[37]，尚不能夠滿足其臨床應用的力學性能要求。

向Zr-Mo合金中添加微量的Sn，能夠同時降低該合金的磁化率和彈性模量。相對于2r-3Mo合金，2r-4Mo-4Sn合金在保持了低磁化率的前提下，彈性模量僅為48 GPa。2r-4Mo-4Sn合金的低磁化率主要歸因于含低磁化率的Zr，Mo，Sn[34]。與B型Zr-Mo合金相比，p型2r-4Mo-4Sn合金在{110}<110>剪切（即CO）方向表現出較低的體心立方結構（B相）穩定性，同時在{001）<100>剪切（即C44）方向表現出更低的體心立方結構（p相）穩定性，使2r-4Mo-4Sn合金的彈性模量較低。

3.2 Zr-Nb合金

表2為Zr-Nb合金的相組成和磁化率。由表2可知，當Nb的質量分數小于6%時，主要形成針狀結構的α'相；類針狀結構的ω相在2r-（6-20）Nb合金中形成，但在2r-22Nb合金中消失；2r-（9-24）Nb合金中均為等軸p相晶粒。2r-6Nb合金由α'相、∞相、p組成，其磁化率最小，為1.14x10-6 cm3/g。Zr-Nb合金的磁化率、力學性能與其相組成有關，如圖4所示。由α'相組成的Zr-Nb合金顯示出高強度、中等延展性、高彈性模量、低磁化率；含有較多∞相的Zr-Nb合金易碎；以p相為主Zr-Nb合金，彈性模量比較低，其中2r-20Nb合金的彈性模量最低，為48.4 GPa，該合金的磁化率為1.42x10-6 cm3/g，只有Ti-6AI-4V合金的40%左右。

Ti作為α相穩定元素能夠擴大α'+β相區的范圍，通過向Zr-Nb合金中添加Ti可以調控相組成，并提高其強度。Xue等[38]將Ti添加到2r-16Nb合金中制備了2r-16Nb-xTi （x=0，4，8，12，16）合金，其中2r-16Nb-4Ti合金含有亞穩p相和馬氏體α'相，其彈性模量為49.8 GPa、磁化率為1.83x10-6 cm3/g。該合金的彈性模量比較低，但相對于其他鋯合金，其磁化率偏高。

在Zr-Nb合金中添加Sn，能夠明顯抑制∞相的形成，適當添加Sn后能夠獲得α''馬氏體相。Okabe等[39]通過添加Sn獲得了β+α”型2r-9Nb-4Sn合金。該合金的彈性模量為46.6 GPa，磁化率為1.294x10-6 cm3/g，相對于2r-16Nb-4Ti合金，它維持了低彈性模量，又獲得了低磁化率。

3.3 其他鋯合金

分別將質量分數為1%的Ti，Nb，Mo，Cu，Au，Pd，Ag，Ru，Hf， Bi添加到Zr中[36]，制備鋯合金。研究發現，除Zr-IAg合金外，其他合金的磁化率均低于純Zr的，Zr-IRu合金的磁化率最低，為1.194x10_6 cm3/g;與α相Zr-Mo合金和Zr-Nb合金的磁化率相當，遠低于Ti-6AI-4V合金的。不同合金元素的加入對鋯合金的力學性能的影響也不同，如圖5所示，Ru的強化效果最好，Zr-IRu合金的抗拉強度比純Zr的高326 MPa，并且表現出較高的延展性。圖6中細胞活性測試顯示，鋯合金的細胞存活率在統計學上均與NCG無明顯差別，且與純Ti的相當，均顯著高于陽性對照組（positive control group，PCG），表明它們均具有良好的生物相容性。

Li等[40]進一步研究了Ru的質量分數對Zr-Ru合金的磁化率的影響，如圖7所示，Zr-Ru合金的磁化率在Ru的質量分數從0增加到0.5%時突然下降，主要是由于α'相的出現；當Ru的質量分數為1%時，其磁化率最低，為1.24x10-6 cm3/g;隨后，磁化率隨Ru的質量分數的增加而升高，當Ru的質量分數大于5%時，磁化率穩定在1.283x10_6 cm3/g左右，約為Ti-6AI-4V合金的37%。L-929細胞和MG63細胞在純Zr和Zr-Ru合金的浸提液中的存活率在統計學上均與NCG無明顯差別（見圖8），表明純Zr和Zr-Ru合金均具有良好的生物相容性。

4 結論

生物醫用植人物材料除滿足力學性能外，還應具有低磁化率的特點，以減少和消除MRI成像中的偽影，進而提高術后診斷的準確性。現階段研究的低磁化率鋯合金，主要以Zr-Mo合金和Zr-Nb合金為代表，顯示出高強度、低彈性模量、低磁化率、良好的生物相容性等優點。但關于鋯合金臨床應用的報道極少，且其在MRI中的偽影情況尚不清楚。鋯合金的力學性能與鈦合金的尚有差距，如何在力學性能與磁化率之間取得平衡，是鋯合金未來研究的一個重要方向。

在科技高速發展的今天，各類診斷方法在醫學上的應用越來越多，對植入物材料的各類性能提出了更高的要求。可以預見，磁性能將會是醫用材料的一個重要指標。相比于目前廣泛使用的鈦合金，鋯合金低磁化率的優勢將越來越明顯，預計在不久的將來，逐步超越鈦合金成為硬組織植入物更合適的候選材料而獲得廣泛的醫學臨床應用。

參考文獻：

[1] OLSEN O E. Practical body MRI-A paediatricperspective[Jl. European Journal of Radiology， 2008，68（2）： 299-308．

[2]SCHENCK J F.The role of magnetic susceptibility inmagjieticresonanceimaging：MRImagneticcompatibility of the first and second kinds[J]. MedicalPhysics， 1996， 23（6）： 815-850.

[3]NOMURA N，TANAKA Y，SUYALATU， et al.Effectsof phase constitution of Zr-Nb alloys on their magneticsusceptibilities[Jl. Materials Transactions， 2009， 50（10）：2466-2472.

[4]OLSRUD J，LATT J， BROCKSTEDT S，et al.Magneticresonance imaging artifacts caused by aneurysm clipsand shunt valves： dependence on field strength （1.5 and 3T） and imaging parameters[Jl. Journal of MagneticResonance Imaging， 2005， 22（3）： 433-437.

[5]HILGENFELD T，PRAGER M， SCHWINDLING F S，eta1. Protocol for the evaluation of MRI artifacts caused bymetal implants to assess the suitability of implants andthe vulnerability of pulse sequences[J]. Journal ofVisualized Experiments， 2018（135）： 57394.

[6]VRACHNIS I N，VLACHOPOULOS G F，MARIS T G，et al.Artifacts quantification of metal implants inMRI[J]. Journal of Physics：Conference Series， 2017，931： 012007.

[7]ERNSTBERGER T， BUCHHORN G， HEIDRICH G.Artifacts in spine magnetic resonance imaging due todifferent intervertebral test spacers： an in vitro evaluationof magnesium versus titanium and carbon-fiber-reinforced polymers as biomaterials[Jl. Neuroradiology，2008， 51（8）： 525-529.

[8]肖占州，不同脊柱植入材料臨床相關應用及磁共振成像檢查金屬內置物的偽影分析[J]，中國組織工程研究與臨床康復， 2010， 14（17）： 3167-3170.

[9] MATSUURA H， INOUE T， OGASAWARA K et al.Quantitative analysis of magnetic resonance imagingsusceptibility artifacts caused by neurosurgicalbiomaterials： comparison of 0.5， 15， and 3.0 teslama～etic fields[Jl. Neurologia Medico-Chirurgica， 2005，45（8）： 395-399

[10] ERNSTBERGER T， HEIDRICH G， BRUENING T， etal.Theinterobserver-validatedrelevanceofintervertebral spacer materials in MRI artifacting[Jl.European Spine Journal， 2007， 16（2）： 179-185.

[11] KAJIMA Y， TAKAICHI A， TSUTSUMI Y， et al.Influence of magnetic susceptibility and volume on MRIartifacts produced by low magnetic susceptibility Zr-14Nb alloy and dental alloys[J]. Dental MaterialsJournal， 2020， 39（2）： 256-261.

[12] SUZUKI A K， CAMPO K N， FONSECA E B， et al.Appraising the potential of Zr-based biomedical alloys toreduce magnetic resonance imaging artifacts[Jl.Scientific Reports， 2020， 10： 2621.

[13] BANERJEE S， BANERJEE M K. Nuclear applications：Zirconium alloys[Jl. Encyclopedia of Materials：Metalsand Alloys， 2016， 1： 350-363.

[14]YAU T L， ANNAMALAI V E. Corrosion of zirconiumand its alloys[Zl//Reference Module in Materials Scienceand Materials Engineering. Amsterdam， TheNetherlands： Elsevier， 2016， 5： 423-443.

[16] ARISTIZABAL M， JAMSHIDI P， SABOORI A， et al.Laser powder bed fusion of a Zr-alloy： tensile propertiesand biocompatibility[J]. Materials Letters， 2020， 259：126897

[17]MISHCHENKO O， OVCHYNNYKOV O， KAPUSTIANO， et al. New Zr-Ti-Nb alloy for medical application：development， chemical and mechanical properties， andbiocompatibility[J]. Materials， 2020， 13（6）： 1306.

[18] KOBAYASHI E， DOI H， YONEYAMA T， et al.Evaluation of mechanical properties of dental casting Ti-Zr based alloys[Jl. Journal of the Japanese Society forDental Materials and Devices， 1995， 14（3）： 321-328.

[19] 11 J P，MJN J R，VAN BLITTERSWIJK C，et al.Comparison of porous Ti6A14V made by spongereplication and directly 3D fiber deposition andcancellous bone[Jl. Key Engineering Materials， 2007，330-332： 999-1002.

[20]WENG W J，BIESIEKIERSKI A， LI Y C，et al.Effectsof selected metallic and interstitial elements on themicrostructure and mechanical properties of betatitanium alloys for orthopedic applications[Jl. Materialia，2019，6：100323.

[21]張玉梅，郭天文，李佐臣．牙科用Ti-Zr合金的研制及性能特點[J]．華西口腔醫學雜志，1999， 17（4）：329-330.

[22] KHAN M A，MLLIAMS R L'WILLIAMS D F.Conjoint corrosion and wear in titanium alloys[J].Biomaterials， 1999， 20（8）： 765-772.

[23] SALDANA L，MNDEZ-VILAS A， JIANG L，et a1. Invitro biocompatibility of an ultrafine grainedzirconium[Jl. Biomaterials， 2007， 28（30）： 4343-4354.

[24]林培杰．鈦鋯合金在口腔修復中的應用及生物毒性[J]中外醫學研究，2011， 9（19）： 128-129.

[25]王勇，李勇．鈦鋯合金在口腔修復中的應用情況分析及生物毒性研究[J]．中國醫藥指南，2012， 10（12）：234-235.

[26] DILLENSEGER J P，MOLIRE S，CHOQUET P，et al.An illustrative review to understand and manage metal-induced artifacts in musculoskeletal MRI：a primer andupdates[J]. Skeletal Radiology， 2016， 45（5）： 677-688.

[27] HARGREAVES B A，WORTERS P W， PAULY K B，et aL Metal-induced artifacts in MRI[Jl. AmericanJournal of Roentgenology， 2011， 197（3）： 547-555.

[28] LEE M J，KIM S，LEE S A，et al.Overcoming artifactsfrom metallic orthopedic implants at high-field-strengthMR imaging and multi-detector CT[Jl. Radiographics，2007， 27（3）： 791-803.

[29] IMAI H，TANAKA Y，NOMURA N， et al.Three-dimensional quantification of susceptibility artifacts fromvarious metals in magnetic resonance images[Jl. ActaBiomaterialia， 2013， 9（9）： 8433-8439.

[30]ASHIDA M， MORITA M， TSUTSUMI Y，et al.Effectsof cold swaging on mechanical properties and magneticsusceptibility of the Zr-IMo alloy[J]. Metals， 2018， 8（6）：454.

[31] Suyalatu， NOMURA N， OYA K，et al.Microstructureand magnetic susceptibility of as-cast Zr-Mo alloys[J].Acta Biomaterialia， 2010， 6（3）： 1033-1038.

[32] KONDO R， NOMURA N， SUYALATU， et al.Microstructure and mechanical properties of as-castZr-Nb alloys[J]. Acta Biomaterialia， 2011， 7（12）：4278-4284.

[33] XUE R H， WANG D， TIAN Y Y， et al. Zr-xNb-4Snalloys with low Young 's modulus and magneticsusceptibility for biomedical implants[J]. Progress inNatural Science：Materials International， 2021， 31（5）：772-778.

[34]GUO S， SHANG Y， ZHANG J.M， et al. A metastable p-type 2r-4Mo-4Sn alloy with low cost， low Young'smodulus and low magnetic susceptibility for biomedicalapplications[J]， Journal of Alloys and Compounds， 2018，754： 232-237.

[35] MEHJABEEN A， SONG T T， XU W， et al. Zirconiumalloys for orthopaedic and dental applications[J].Advanced Engineering Materials， 2018， 20（9）： 1800207.

[36]ZHOU F Y， QIU K J， LI H F， et al. Screening on binaryZr-IX （X = Ti， Nb， Mo， Cu， Au， Pd， Ag， Ru， Hf and Bi）alloys with good in vitro cytocompatibility and magneticresonance imaging compatibility[J]. Acta Biomaterialia，2013， 9（12）： 9578-9587.

[37]SUYALATU， KONDO R， TSUTSUMI Y， et al. Effectsof phase constitution on magnetic susceptibility andmechanical properties of Zr-rich Zr-Mo alloys[J]. ActaBiomaterialia， 2011， 7（12）： 4259-4266.

[38] XUE R H， WANG D， YANG D W， et al. Novelbiocompatible Zr-based alloy with low Young ' s modulusand magnetic susceptibility for biomedical implants[J].Materials， 2020， 13（22）： 5130.

[39] OKABE F， KIM H Y， MIYAZAKI S， et al. Stressinduced martensitic transformation and shape memoryeffect in Zr-Nb-Sn alloys[J]. Scripta Materialia， 2019.162： 412-415.

[40]11 H F， ZHOU F Y， LI L， et al. Design and developmentof novel MRI compatible zirconium-ruthenium alloyswith ultralow magnetic susceptibility[J]. ScientificReports. 2016， 6： 24414.