LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung bản luận văn này là công trình nghiên cứu của
Tôi. Các số liệu và kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa từng được công
bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu hoặc cơ sở nào trước đây.

Ngƣời cam đoan

Hoa Xuân Hòa


LỜI CẢM ƠN
Tác giả luận văn xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo, Cô giáo Bộ môn Cơ
học Vật liệu và Cán kim loại, Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Viện Đào
tạo Sau Đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và các đồng nghiệp đã
tạo mọi điều kiện thuận lợi, đóng góp những ý kiến quý báu cho tác giả trong
suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
Để có được kết quả nghiên cứu này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của
bản thân, tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Đặng Thủy
người đã tận tình định hướng, hướng dẫn và tạo điều kiện tốt nhất giúp đỡ tác
giả trong suốt thời gian học tập và hoàn thành luận văn. Tác giả cũng xin trân
trọng cảm ơn PGS.TS Trần Văn Dũng người đã đóng góp những ý kiến xác
thực góp phần hoàn chỉnh luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, tạo điều kiện của bạn bè,
sự động viên, tạo mọi điều kiện về vật chất và tinh thần của gia đình và người
thân trong suốt thời gian học tập và hoàn thành luận văn.
Tác giả xin chân thành ghi nhớ mọi sự giúp đỡ quý báu đó !

Tác giả

Hoa Xuân Hòa

MỤC LỤC
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN HỢP KIM TITAN XỐP ................................ 2
1.1 Giới thiệu chung về hợp kim Titan xốp ............................................... 2
1.2 Các tính chất cơ học của mô xƣơng ..................................................... 4
1.3 Tính tƣơng thích sinh học .................................................................... 11
1.4 Hợp kim Titan mô đun đàn hồi thấp kiểu β ....................................... 12
1.5 Đặc trƣng của các hợp kim Titan xốp................................................. 16
1.5.1 Một vài nét chung về hợp kim Titan xốp. ...................................... 16
1.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng của hợp kim Titan xốp. ........ 17
1.6 Thiết kế vật liệu hợp kim Titan xốp dùng làm cấy ghép chân răng 22
1.7 Kết luận. ................................................................................................ 24
CHƢƠNG 2 – CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP CHẾ
TẠO .................................................................................................................. 25
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7

Phƣơng pháp thiêu kết thông thƣờng. ............................................... 27

Phƣơng pháp thiêu kết Space Holder. ............................................... 29
Phƣơng pháp thiêu kết xung plasma.................................................. 33
Phƣơng pháp tự sinh nhiệt. ................................................................. 36
Phƣơng pháp ép đẳng tĩnh. ................................................................. 39
Các phƣơng pháp khác. ....................................................................... 40
Kết luận. ................................................................................................ 43

CHƢƠNG 3 – KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO HỢP KIM
TITAN XỐP BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN RÃ THIÊU KẾT............... 45
3.1 Công đoạn nghiền trộn cơ học ............................................................ 46
3.1.1 Thiết bị phối liệu ............................................................................. 46


3.1.2 Tính toán phối liệu .......................................................................... 46
3.1.3 Thiết bị trộn đồng đều hóa thành phần ........................................... 52
3.1.4 Trộn đồng đều thành phần ............................................................. 53
3.2 Công đoạn ép đóng bánh tạo hình sơ bộ.......................................... 55
3.2.1 Thiết bị ép đóng bánh hỗn hợp bột TiH2-3,5Nb-3,5Zr ................. 55
3.2.2 Phương pháp ép ............................................................................ 55
3.2.3 Áp lực ép tạo hình sơ bộ ............................................................... 56
3.3. Công đoạn thiêu kết ........................................................................... 57
3.3.1 Mục đích ....................................................................................... 57
3.3.2 Chế độ thiêu kết ............................................................................ 58
3.3.3 Thiết bị thiêu kết ........................................................................... 60
3.3.4 Quy trình thực nghiệm thiêu kết ................................................... 63
CHƢƠNG 4 – XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT VÀ TỐI ƢU HÓA QUY TRÌNH
CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO HỢP KIM TITAN XỐP BẰNG PHƢƠNG
PHÁP PHÂN RÃ THIÊU KẾT .................................................................. 64
4.1. Xác định độ xốp mẫu hợp kim Titan Ti-3,5Nb-3,5Zr ................... 64
4.2. Xác định mô đun đàn hồi mẫu hợp kim Titan Ti-3,5Nb-3,5Zr .... 67

4.3. Tổ chức tế vi mẫu hợp kim Titan Ti-3,5Nb-3,5Zr ......................... 70
4.4. Kết quả quá trình phân rã thiêu kết .............................................. 75
4.5. Xây dựng hàm mục tiêu tối ƣu hóa công nghệ chế tạo hợp kim
Titan xốp ..................................................................................................... 78
4.5.1 Giới thiệu phương pháp ................................................................. 78
4.5.2 Mô hình nghiên cứu ....................................................................... 79
4.6 Chế thử mẫu hợp kim Titan xốp bằng phƣơng pháp phân rã thiêu
kết có chất tạo độ xốp (Space Holder) trên lò chân không cao ............. 82
4.6.1 Kết quả xác định thành phần pha ................................................... 84
4.6.2 Kết quả xác định độ xốp mẫu sau thiêu kết ................................... 86
4.6.3 Kết quả xác định mô đun đàn hồi mẫu sau thiêu kết ..................... 86
4.6.4 Kết quả xác định hình ảnh/tổ chức tế vi mẫu sau thiêu kết ........... 88
4.7 Kết luận ............................................................................................... 90
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 92


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền

SHS:

(self-propagating high-temperature synthesis).
VS

:

Thiêu kết chân không (Vacuum Sintering)

HIP :


Ép nóng đẳng tĩnh (Hot Isostatic Pressing)

SPS :

Thiêu kết xung plasma (Spark Plasma Sintering)

SEM :

Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microcopy)

XRD :

Phổ nhiễu xạ tia Rơn-ghen (X-ray Diffraction)

ρ

:

Tỷ trọng.

Ø

:

Độ xốp


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1


Chỉ tiêu cơ lý của vỏ xương người sau khi thử kéo.

Bảng 1.2

Chỉ tiêu cơ lý của lớp vỏ xương người sau khi thử nén.

Bảng 1.3
nén.

Chỉ tiêu cơ lýcủa lớp xương xốp trong xương người sau khi thử

Bảng 1.4

Tính chất cơ học của hợp kim pha β,ω, α', α" ứng dụng trong y
học.

Bảng 1.5

Chọn lọc các hợp kim mô đun đàn hồi thấp Ti pha β, mới phát
triển gần đây.

Bảng 2.1

Độ xốp tổng và độ xốp hở của khối Titan sau khi thiêu kết với cỡ
hạt và điều kiện thiêu kết khác nhau.

Bảng 2.2

Một vài hợp chất được sản xuất bằng phương pháp SHS


Bảng 3.1

Các chế độ công nghệ thiêu kết.

Bảng 4.1

Sự phụ thuộc của độ xốp vào nhiệt độ thiêu kết (T), thời gian
thiêu kết () và áp lực ép (P).

Bảng 4.2

Sự phụ thuộc của mô đun đàn hồi vào nhiệt độ thiêu kết (T), thời
gian thiêu kết () và áp lực ép (P).

Bảng 4.3

Điều kiện thí nghiệm được chọn.

Bảng 4.4

Ma trận kế hoạch thực nghiệm và kết quả thí nghiệm.

Bảng 4.5

Kết quả xác định độ xốp.

Bảng 4.6

Kết quả xác định mô đun đàn hồi.



DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1

Cấu tạo xương người.

Hình 1.2

Đường cong ứng suất- biến dạng của hợp kim Ti-20Nb-15Zr với
hàm lượng NH4HCO3 khác nhau.

Hình 1.3

Đường cong ứng suất biến dạng của xương người và một số vật
liệu kim loại thay thế.

Hình 1.4

Mô đun đàn hồi của xương người và các vật liệu y sinh thường
sử dụng.

Hình 1.5

Các nguyên tố và sự tương thích sinh học.

Hình 1.6

Ảnh hương của tỷ trọng đến mô đun đàn hồi và độ bền của mẫu
sau thiêu kết.


Hình 1.7

Sự tác động của độ xốp đến ngưỡng biến dạng dẻo của vật liệu.

Hình 1.8

Ảnh hưởng của kích thước lỗ xốp đến độ bền nén và mô đun đàn
hồi của vật liệu khi thử mẫu có độ xốp 64%.

Hình 1.9

Ảnh hưởng của tỷ trọng tương đối đến độ dày trung bình của
vách lỗ xốp và kích thước lỗ xốp đến hàm lượng oxy chứa trong
xương.

Hình 1.10

Ảnh hưởng của lực ép đến độ xốp của vật liệu.

Hình 1.11

Đinh vít chân răng.

Hình 2.1

Sơ đồ thiêu kết Titan xốp bằng phương pháp Space holder.

Hình 2.2


Ảnh tổ chức tế vi mẫu sau khi chế tạo bằng phương pháp Space
holder với lỗ xốp macro/micro.

Hình 2.3

Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo hợp kim xốp Titan và hợp kim
Titan bằng phương pháp SPS.

Hình 2.4

Ảnh tổ chức tế vi của mẫu Titan xốp có độ xốp 55% với kích
thước lỗ xốp 125 µm (a); 250 µm (b); 400 µm (c); và 800 µm
(d).


Hình 2.5

Quan hệ nhiệt độ – thời gian trong phản ứng SHS.

Hình 2.6

Các bước cơ bản trong quá trình tổng hợp NiTi bằng phương
pháp SHS.

Hình 2.7

Tổ chức tế vi của mẫu NiTi khi sử dụng (NH4HCO3) làm chất
tạo xốp trong HIP với a) 0% và b) 8.3%.

Hình 2.8


Sơ đồ nguyên lý phương pháp thiêu kết vi sóng.

Hình 2.9

Sơ đồ nguyên lý phương pháp MIM.

Hình 2.10

Thiết bị máy ép trục vít (MIM).

Hình 2.11

Ảnh tổ chức tế vi của mẫu chế tạo bằng phương pháp ép trục vít.

Hình 2.12

Phương pháp đúc để tạo mẫu xốp.

Hình 3.1

Sơ đồ quy trình thực nghiệm chế tạo hợp kim y sinh Titan xốp.

Hình 3.2

Cân điện tử Scientech độ chính xác 10-4 g.

Hình 3.3

Giản đồ nhiễu xạ X-ray bột TiH2 nguyên liệu.


Hình 3.4

Giản đồ nhiễu xạ X-ray bột Nb nguyên liệu.

Hình 3.5

Giản đồ nhiễu xạ X-ray bột Zr nguyên liệu.

Hình 3.6

Máy trộn tang trống.

Hình 3.7

Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) hỗn hợp bột TiH2-3,5Nb-3,5Zr
sau quá trình trộn đồng đều thành phần (X200 và X2000).

Hình 3.8

Máy ép thủy lực 1000 KN hãng STENHØJ.

Hình 3.9

Khuôn và chày ép.

Hình 3.10

Sự phụ thuộc của tỷ trọng vào áp lực ép.


Hình 3.11

Sơ đồ quy trình thiêu kết.

Hình 3.12

Giản đồ pha của Ti – Nb.

Hình 3.13

Giản đồ pha của Nb – Zr.

Hình 3.14

Giản đồ pha của Ti-Zr.

Hình 3.15

Lò thiêu kết một ống SRJX-2-13.

Hình 4.1

Máy thử cơ tính MTS 809.10.


Hình 4.2

Kính hiển vi điện tử quét JSM-7600F.

Hình 4.3


Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) mẫu sản phẩm sau thiêu kết
11500C trong 3h (X500 và X1000).

Hình 4.4

Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) mẫu sản phẩm sau thiêu kết
11500C trong 3h (X2000 và X2500).

Hình 4.5

Máy phân tích Rơnghen D5005 – SIEMENS.

Hình 4.6

Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu TiH2 – 3,5Nb – 3,5Zr sau khi thiêu
kết.

Hình 4.7

Mô hình nghiên cứu quy hoạch thực nghiệm.

Hình 4.8

Lò thiêu kết chân không cao 10-5 tor.

Hình 4.9

Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu TiH2 – 3,5Nb – 3,5Zr sau khi thiêu
kết.


Hình 4.10

Đường cong ứng suất biến dạng mẫu 40% chất tạo xốp

Hình 4.11

Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) mẫu sau thiêu kết 11500C trong
3h (X2000 và X2500)

Hình 4.12

Hình ảnh mẫu sau thiêu kết có chất phụ gia tạo độ xốp trên lò
chân không cao


MỞ ĐẦU
Hiện nay trên thế giới, vật liệu Titan xốp với các tính chất độ xốp cao,
mô đun đàn hồi thấp đang thu hút được rất nhiều nghiên cứu và các lĩnh vực
ứng dụng khác nhau. Vật liệu Titan xốp đặc do đặc tính xốp và mô đun đàn
hồi thấp nên chúng thường được ứng dụng dưới dạng vật liệu y sinh trong
lĩnh vực cấy ghép nha khoa, thay thế và chỉnh hình một phần hoặc toàn bộ
một bộ phận cơ thể đã bị hư hỏng, thoái hoá hoặc tổn thương do tai nạn ....
các bộ phận thường phải thay thế bao gồm: Đĩa đệm thoái hoá, xương vỡ,
đầu khớp háng thoái hoá, chân răng .... Hợp kim Titan xốp, sự quan tâm chủ
yếu là các nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu y sinh để chế tạo
xương chân răng, các cấy ghép mô thay thế trong cơ thể con người,vì chúng
đảm bảo được các điều kiện như: Tính chất cơ học, có độ bền cao chịu được
tải trọng tác dụng sinh lý của cơ thể trong một thời gian lâu dài hoặc cho đến
suốt đời mà không bị hư hỏng hoặc phẫu thuật lại. Tính tương thích sinh học

tuyệt vời, không tác động lên cơ thể, nói một cách khác không tạo nên ion
kim loại và các nguyên tố hợp kim không bị hòa tan vào các huyết thanh
trong cơ thể, đáp ứng các yêu cầu tối quan trọng của vật liệu cấy ghép tốt hơn
so với vật liệu khác, chẳng hạn như thép không gỉ, hợp kim Cr-Co, niobi và
tantalum.Ở dạng xốp, các mô xương và mô cơ trong cơ thể người có thể phát
triển đi vào các lỗ xốp của hợp kim này và tạo nên liên kết giữa xương nhân
tạo và mô cơ thể, hơn nữa độ xốp lớn với tỷ lệ độ xốp hở liên thông cao có thể
đảm bảo cho chất dịch của cơ thể dễ dàng truyền qua sau khi cấy ghép.
Ở Việt Nam, các vật liệu y sinh hiện nay đều phải nhập khẩu từ nước
ngoài, chúng rất đắt trong khi đó nhu cầu thay thế rất lớn làm cho các chi phí
y tế tăng lên nhiều. Do vậy việc chủ động tiếp cận công nghệ sản xuất vật liệu
y sinh là một hướng nghiên cứu phù hợp và là đòi hỏi cần thiết. Đó chính là
một trong những lý do tác giả lựa chọn đề tài: “Chế tạo hợp kim Titan xốp
ứng dụng làm vật liệu cấy ghép”trong điều kiện thí nghiệm hiện có ở Việt
Nam, sự thành công của đề tài luận văn sẽ là nền tảng bước khởi đầu trong
việc chế tạo vật liệu y sinh, thay thế các vật liệu nhập ngoại.
Luận văn được thực hiện theo chương trình nghiên cứu của đề tài cấp
Bộ Giáo dục và Đào tạo, mã số B2015-01-96.

1


CHƢƠNG 1– TỔNG QUAN HỢP KIM TITAN XỐP
1.1 Giới thiệu chung về hợp kim Titan xốp
Với sự phát triển của nền khoa học, kinh tế tuổi thọ con người ngày
càng cao, đi kèm theo đó là nhu cầu chăm sóc sức khỏe cũng tăng lên số
lượng người cao tuổi có nguy cơ cao bị hư hỏng mô cứng như xương khớp và
việc thay thế chúng tăng lên nhanh chóng vì vậy nhu cầu của vật liệu sinh học
tăng theo. Người ta ước tính rằng 70% -80% các ca cấy ghép y sinh được làm
bằng vật liệu kim loại. Cấy ghép bằng vật liệu kim loại là rất quan trọng cho

việc tái tạo mô cứng bị hư hỏng như các xương khớp. Các điều kiện chấp
nhận của vật liệu cấy ghép bao gồm mô đun đàn hồi thấp, độ bền cao, chịu
mài mòn tốt, khả năng chống ăn mòn và khả năng tương thích sinh học cao là
những đặc điểm mà các nhà nghiên cứu đã và đang theo đuổi trong tương lai.
Cho đến nay, đã có một số lượng lớn các loại vật liệu y sinh được
nghiên cứu và ứng dụng, trong đó vật liệu kim loại đóng góp một tỷ trọng
không nhỏ, chủ yếu là thép không gỉ và hợp kim xốp trên nền Titan. Trong số
các vật liệu kim loại, titan và hợp kim của nó được tìm ra ngày càng nhiều và
được coi như là vật liệu thích hợp nhất cho các ứng dụng y sinh, vì chúng
đảm bảo được các điều kiện như: Tính chất cơ học, có độ bền cao chịu được
tải trọng của cơ thể tác dụng trong một thời gian dài hoặc cho đến suốt đời mà
không bị hư hỏng hoặc phẫu thuật lại. Tính tương thích sinh học tuyệt vời,
không tác động lên cơ thể, nói một cách khác không tạo nên ion kim loại và
các nguyên tố hợp kim có khả năng hòa tan vào các huyết thanh trong cơ thể,
đáp ứng các yêu cầu tối quan trọng của vật liệu cấy ghép và tốt hơn so với vật
liệu khác, chẳng hạn như thép không gỉ, hợp kim Cr-Co, Niobi và Tantalum.
Ngày nay, các loại hợp kim xốp trên nền Titan này vẫn đang tiếp tục
nghiên cứu, phát triển và ứng dụng làm vật liệu cấy ghép trong y học nói

2


chung và nha khoa nói riêng, thay thế và chỉnh hình một phần hoặc toàn bộ
một bộ phận cơ thể đã bị hư hỏng, thoái hoá hoặc tổn thương do tai nạn ....
các bộ phận thường phải thay thế bao gồm: Đĩa đệm thoái hoá, xương vỡ,
đầu khớp háng thoái hoá, chân răng .... Ngoài ra, Các loại ống hợp kim nhớ
hình Titan-Niken được sử dụng trong điều trị bệnh nhân bị tắc nghẽn mạch
máu, các loại hợp kim Titan nhớ hình được sử dụng làm nẹp xương. Các hợp
kim Titan xốp có thể giữ cố định sinh học tốt thông qua các mô xương xốp
mọc liên thông vào mạng lỗ xốp của vật liệu và các lỗ xốp cũng chính là

đường lưu thông các chất lỏng và máu ổn định cho các mô xương mới.
Các vật liệu y sinh bằng gốm xốp tuy chống ăn mòn cao nhưng có thể
hư hỏng do quá giòn, hoặc các polyme không thể chịu đựng được trọng lượng
cơ thể trong các phẫu thuật thay khớp, nhưng vật liệu kim loại xốp trên nền
Titan có thể khắc phục được các nhược điểm này. Bởi vì, vật liệu kim loại
xốp có độ bền cơ học và độ dẻo dai cao, rất cần thiết và quan trọng nhất đối
với vật liệu y sinh trong điều kiện chịu lực, do các tính chất cơ học cao và tính
tương thích sinh học tuyệt vời của chúng. Đối với vật liệu hợp kim xốp Titan,
Niobium, và Zirconi (Ti-Nb-Zr) làm chân răng, mà đề tài lựa chọn làm đối
tượng nghiên cứu được xác định là bộ phận tiếp giáp giữa xương hàm tự
nhiên và đinh vít titan để cấy ghép chân răng, do đó nó cần phải đảm bảo các
tính chất sau: Độ xốp đạt (50-60)%, mô đun đàn hồi thấp khoảng dưới 50
GPa, độ bền mỏi tốt, các tính chất cơ học khác như độ bền, độ cứng giống
như xương hàm. Mặt khác, vật liệu kim loại đôi khi có độc tính và bị phá hủy
vì do ăn mòn và hư hỏng do ứng suất cơ học gây ra.Vì vậy, việc nghiên cứu
và phát triển các hợp kim xốp mới đang thu hút sự quan tâm rộng rãi của các
nhà nghiên cứu vật liệu sinh học. Mục đích của việc nghiên cứu và phát triển
như sau:
- Để loại bỏ các yếu tố độc hại;

3


- Giảm mô đun đàn hồi để tránh tạo ra chênh lệch ứng suất giữa xương
tự nhiên và mô cấy ghép;
- Để cải thiện khả năng tương thích sinh học của các mô và máu;
- Để thu nhỏ các thiết bị y tế.
Ở góc độ vật liệu kim loại, cần phải chế tạo ra hợp kim có cả tính chất
cơ học phù hợp vừa phải có tính chống ăn mòn và tương thích sinh học với bộ
phận thay thế trong cơ thể người. Như vậy, trong số các vật liệu kim loại, hợp

kim xốp Titan, Niobium, và Zirconi (Ti-Nb-Zr) mà đề tài lựa chọn làm đối
tượng nghiên cứulà vật liệu thích hợp nhất cho các ứng dụng làm cấy ghép và
cho đến nay đã phát triển rất mạnh mẽ về chủng loại, công nghệ chế tạo, cũng
như ứng dụng. Việc nghiên cứu áp dụng các công nghệ mới, phù hợp để chế
tạo các sản phẩm hợp kim Titan trong đó có hợp kim Titan xốp ứng dụng
trong y học ở Việt nam là rất quan trọng. Trong phạm vi chương 1 các yêu
cầu về tính chất đối với vật liệu cấy ghép trong cơ thể người sẽ được phân tích,
từ đó thiết kế vật liệu dùng làm cấy ghép cho chân răng.
1.2 Các tính chất cơ học của mô xƣơng
Trong phần này, các kết quả đo đạc tính chất cơ học của xương người
sẽ được trình bày, làm cơ sở để lựa chọn được vật liệu phù hợp. Về cấu trúc,
như trình bày trên (hình 1.1), xương người gồm hai lớp chính, lớp ngoài đặc
chắc, lớp trong có dạng xốp với cấu tạo khung dạng que hoặc dạng tấm. Lớp
vỏ xương là lớp chịu lực, lớp xốp có tác dụng để máu và các dòng dịch lưu
chuyển, cũng như để cơ bám vào. Có sự khác biệt rõ rệt về cơ tính ở các độ
tuổi khác nhau và có sự khác biệt giữa nam và nữ. Các chỉ tiêu cơ lý của lớp
vỏ và lớp xốp bên trong của xương người sau khi thử kéo được trình bày trên
(bảng 1.1) [3] và sau khi thử nén được trình bày trên (bảng 1.2) và (bảng 1.3)
[ 3 ].

4


Việc quyết định lựa chọn các loại vật liệu thay thế trong cơ thể người
dựa trên tính chất cơ học tương thích. Vì thế các tính chất cơ lý của Titan xốp
được lựa chọn cần thiết phải thỏa mãn đầy đủ các yêu cầu về cơ lý tính đối
với xương người. Mô đun đàn hồi và độ bền nén của vỏ và lõi xương con
người tương ứng khoảng (4-30) GPa và (20-193) MPa, (0,2-2) Gpa và (2-80)
MPa. Độ bền cao nhất của xương vỏ não con người vào khoảng (110-184)
Mpa. Giới hạn chảy dẻo của xương đùi và xương chày trong phạm vi (104121) Mpa và (120-140) MPa. Vì vậy, titan và hợp kim thiết kế cho vật liệu

implant cần phải có độ bền cao và mô đun đàn hồi thấp, tính chất cơ học càng
giống xương tại nơi thay thế càng tốt. Trên (hình 1.3) trình bày đường cong
ứng suất biến dạng của một số kim loại và xương người [ 3 ], ta thấy hợp kim
Titan là phù hợp nhất, trong trường hợp đó là NiTi.

5


Bảng 1.1 Chỉ tiêu cơ lý của vỏ xƣơng ngƣời sau khi thử kéo [ 3 ]

Tuổi

N

n

Giới
hạn
chảy
(MPa)

Giới
hạn
bền
(MPa)

41

17


20

–

100

19,2

2,10

1,91

71

17

16

–

80

15,2

1,19

1,73

Mô
Biến

đun
dạng
đàn hồi
tới hạn
(GPa)

Tỷ
trọng
(g/cm3)

Xƣơng cánh tay
15-89

64

27

–

149

15,6

2,20

1,77

15-89

64


16

–

151

16,1

1,90

1,72

Xƣơng ống chân
41

17

67

–

106

18,9

1,76

1,96


71

17

34

–

84

16,2

1,56

1,83

20-89

28

123

129,00

156,71

23,83

3,09


–

Xƣơng đùi
41

17

35

–

102

14,9

1,32

1,91

71

17

35

–

68

13,6


1,07

1,85

15-89

64

29

–

141

15,2

2,0

1,90

15-89

64

30

–

134


15

1,80

1,80

20-89

33

178

114,14

132

16,8

2,83

–

6


Hình 1.1 Cấu tạo của xƣơng ngƣời

Hình 1.2 Đƣờng cong ứng suất- biến dạng của hợp kim Ti-20Nb-15Zr
với hàm lƣợng NH4HCO3 khác nhau: (a) 0% NH4HCO3(b) 20%

NH4HCO3; (c) 35% NH4HCO3; (d) 50% NH4HCO3
7


Bảng 1.2 Chỉ tiêu cơ lý của lớp vỏ xƣơng ngƣời sau khi thử nén [3]
Mô xƣơng

Tuổi

N

n

Giới hạn

Mô đun

bền

đàn hồi

(MPa)

(GPa)

Độ cứng
(MPa)

Thớ mô
xương ống

chân(theo

57/61

2

2

–

22,5

614

57/61

2

2

–

25,8

736

20-89

19


95

194

17,6

–

20-89

11

38

195

28

–

chiều dọc)
Xương chày
(theo chiều
dọc)
Xương đùi
Xương ống
chân

Chú thích: N: số mẫu xương thử, n: số lượng mẫu gia công từ các mẫu
xương;


Hình 1.3 Đƣờng cong ứng suất biến dạng của xƣơng ngƣời và một số
vật liệu kim loại thay thế
8


Bảng 1.3 Chỉ tiêu cơ lý của lớp xốp trong xƣơng ngƣời sau khi thử nén
Tuổi

N

n

Giới hạn
bền
(MPa)

14-89

60

32

4,60

0,06

6,70

0,20


14-89

60

32

2,70

0,04

6,10

0,20

14-89

60

32

3,90

0,03

8,30

0,22

14-89


60

32

2,20

0,02

6,90

0,22

16-83

31

395/183

8,80

0,64

2,20

0,45

15-87

42


84

2,5

0,07

7,40

–

15-87

42

84

0,9

0,02

8,50

–

Xương chày

59-82

9


121

5,33

0,45

–

0,29

Xương đùi

58-83

10

299

7,36

0,39

–

0,50

15-87

42


40

2,45

0,07

–

0,24

71-84

3

231

1,55

0,02

–

0,19

3,85

0,17

6,59


0,28

Mô xƣơng
Đốt sống thắt
lưng(nam)
Đốt sống thắt
lưng (nữ)
Đầu xương
ống chân
(nam)
Đầu xương
ống chân
(nữ)
xương ống
chân
Đốt xương
sống
(chiều dọc)
Đốt xương
sống
(chiều
ngang)

Thắt lưng cột
sống
Thắt lưng cột
sống

Giá trị trung bình


Mô đun
đàn hồi
(GPa)

Biến dạng
tới hạn
(%)

Tỷ
trọng
(g/cm3)

Nếu xảy ra hiện tương nứt gãy của vật liệu cấy ghép do độ bền của vật
liệu không đủ dưới tác động mạnh của tải trọng hoặc do mô đun đàn hồi

9


không phù hợp giữa xương và vật liệu cấy ghép, hiện tượng này gọi là sự
không tương thích cơ sinh học.
Đối với khả năng tương thích cơ sinh học được đánh giá bằng sự tương
đồng về giá trị của mô đun đàn hồi giữa xương và vật liệu được cấy ghép.
(Hình 1.4) trình bày giá trị mô đun đàn hồi của các hợp kim y sinh học thường
được sử dụng nhất và so sánh với xương người. Các vật liệu kim loại y sinh
hầu hết được sử dụng cho những bộ phận chịu tải trọng như hông, háng, đầu
gối và chân răng. Titan và các hợp kim có mô đun đàn hồi thấp hơn so với các
hợp kim khác như Co-Cr và thép không gỉ 316. Tuy nhiên, các loại vật liệu
cấy ghép đang được sử dụng hiện nay như: thép không gỉ (190-210) GPa, hợp
kim Co-Cr (210-253) MPa vàHợp kim Ti (55-110) Mpađều có mô đun đàn

hồi lớn hơn nhiều so với các mô xương mà chúng thay thế. Sự đào thải do
chênh lệch ứng suất còn xảy ra do không phù hợp độ cứng, phần kim loại thay
thế cứng và chịu tải trọng chính, trong khi đó mô xương mềm không có tác
động của ứng suất. Để tránh sự tác động do chênh lệch ứng suất lên các vùng
xương bên cạnh của vật liệu cấy ghép, người ta thường nới lỏng để kích thích
lớp mô xương mới sẽ hình thành và phát triển xung quanh vật liệu cấy ghép,
từ đó dần dần đạt được sự tương thích mong muốn. Nói chung, mô đun đàn
hồi của hầu hết các kim loại cấy ghép thường lớn hơn của các mô cứng
khoảng 10-20 lần.
Vật liệu có mô đun đàn hồi thấp kích thích sự hình thành và phát triển
của các mô xương, tạo ra quá trình truyền ứng suất giữa vật liệu cấy ghép và
xương. Và vì thế nên thiết kế hoặc lựa chọn loại vật liệu có mô đun đàn hồi
phù hợp với xương người để giảm quá trình đào thải do chênh lệch ứng suất
gây ra.

10


Hình 1.4 Mô đun đàn hồi của xƣơng ngƣời và các vật liệu y sinh thƣờng
sử dụng
1.3 Tính tƣơng thích sinh học
Một cách lý tưởng, yêu cầu tương thích sinh học với vật liệu y sinh là
trơ với cơ thể người, không gây ra bất kỳ một tác động nào đến cơ thể người,
phẫu thuật cấy ghép có thành công hay không, phụ thuộc hoàn toàn vào phản
ứng của cơ thể đối với các nguyên tố trong vật liệu cấy ghép, điều đó đánh giá
mức độ tương thích sinh học của vật liệu. Phản ứng đến cơ thể và sự thoái hóa
của vật liệu theo thời gian trong cơ thể là hai thông số tương thích sinh học
chính. Hiểu được tác động của mỗi nguyên tố là điều quan trọng đầu tiên, vì
chúng có thể hòa tan vào cơ thể gây ra viêm nhiễm, nhiễm độc cục bộ cũng
như toàn bộ cơ thể.

(Hình 1.5) trình bày tính an toàn của các kim loại sử dụng làm vật liệu
cấy ghép bao gồm có (a) Khả năng gây độc của các nguyên tố và (b) quan hệ
giữa kháng phân cực và tính tương thích của kim loại nguyên chất. Từ hình vẽ
có thể thấy rằng, các nguyên tố Ti, B, Mg, Si, P, Ca, Sr, Zr, Nb, Mo, Pd, In,
Sn, Ta, Pt, Au chúng có tính tương thích sinh học cao, trong khi đó các

11


nguyên tố có hại bao gồm Be, Al, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ag, V là
độc tố, đã được thông báo rộng rãi. Al có thể gây ra một số bệnh tật nhất định.
Kawahara cũng đã báo cáo rằng kim loại V và Fe là các yếu tố gây độc tế bào,
trong khi Ti, Nb, Ta, Zr và Sn là những yếu tố gây độc tế bào thấp. Các yếu tố
không độc hại như Nb, Ta, Zr, Mo và Sn được chọn để thiết kế mới hợp kim
Titan loại β với mô đun đàn hồi thấp, độ bền cao và khả năng chống ăn mòn
tốt.

Hình 1.5 Các nguyên tố và sự tƣơng thích sinh học
a) Khả năng gây độc của các nguyên tố; và (b) quan hệ giữa kháng phân
cực và tính tƣơng thích của kim loại nguyên chất [ 3 ]
1.4 Hợp kim Titan mô đun đàn hồi thấp kiểu 
Nghiên cứu và phát triển hợp kim Titan không chỉ quan tâm đếnsự an
toàn sinh học của các nguyên tố đối với cơ thể, mà còn phải quan tâm cả đến
tính tương thích cơ sinh học. Tóm tắt ngắn gọn cơ bản về các tính chất cấu
trúc của của hợp kim Titan nhằm tăng cường hơn sự hiểu biết khi sử dụng
trong y học.Ti tồn tại ở hai dạng thù hình và tính đa dạng của tổ chức tế vi của
các hợp kim Titan phụ thuộc vào hiện tượng thù hình của chúng. Ti có sự

12



chuyển biến thù hình ở 882,3°C, dưới nhiệt độ này nó có dạng thù hình lục
giác xếp chặt (HCP), được gọi là pha α, trong khi đó, khi nhiệt độ lớn hơn
882,3°C, dạng thù hình của nó là lập phương tâm khối (BCC) gọi là cấu trúc
pha β. Titan có thể tạo thành dung dịch rắn với các nguyên tố khác nhau, và vì
thế nhiệt độ cân băng pha α và pha β có thể dao động phụ thuộc vào hàm
lượng Ti và các nguyên tố thay thế và xen kẽ trong mạng tinh thể.
Hai pha cơ bản trong hợp kim Ti là pha α và pha β. Sau khi xử lý nhiệt
như: ủ, xử lý nhiệt trong dung dịch, làm nguội hoặc hóa già, pha β có thể
chuyển sang phaω, α', α" hoặc pha β khi làm nguội nhanh từ nhiệt độ cao. Pha
ω là pha không mong muốn vì nó có mô đun đàn hồi cao nhất và mô đun pha
α" là mong muốn cho các hợp kim nhớ hình. Việc bổ sung các nguyên tố hợp
kim có thể gây ảnh hưởng đáng kể đến thành phần pha và tính chất cơ học của
hợp kimTi. Nồng độ các nguyên tố hợp kim nên ít hơn 20% khối lượng, nếu
như hàm lượng nguyên tố hợp kim quá cao có thể tăng quá trình tiết pha ω,
theo đó làm tăng độ bền và mô đun đàn hồi của hợp kim Titan kiểu β.
Tính chất cơ học của các hợp kim titan kiểu α, (α+β) và β được trình
bày trên (bảng 1.4). Hợp kim Titan kiểu β có độ bền và mô đun đàn hồi thấp
cũng như tính dẻo cao hơn so với các kiểu còn lại α hoặc (α+β). Các nhà
nghiên cứu đã xác minh ưu điểm của vật liệu y sinh với mô đun đàn hồi thấp
liên quan đến sự hàn gắn với xương và tự định dạng thông qua các thí nghiệm
trên cơ thể của thỏ, và cuối cùng chứng minh rằng hợp kim titan mô đun đàn
hồi thấp có cải thiện tốt hơn sự chuyển đổi ứng suất giữa xương và vật liệu
cấy ghép. Nó có hiệu quả làm cản lại quá trình ăn mòn và nâng cao quá trình
tự hồi phục của xương. Điều này đã khuyến khích các nhà khoa học vật liệu
nghiên cứu phát triển các hệ vật liệu cấy ghép có mô đun đàn hồi thấp và tính
tương thích của các nguyên tố với cơ thể con người.

13



Hợp kim Titan kiểu β mới phát triển gần đây là lựa chọn cho các ứng
dụng trong y học được trình bày trên (bảng 1.5), trong bảng trên bao gồm cả
mô đun đàn hồi cùng với các phương pháp chế tạo. Mô đun đàn hồi tương
ứng với độ cứng của vật liệu và lực liên kết trong cấu trúc mạng tinh thể. Bổ
sung thêm các nguyên tố tạo pha β nhằm thúc đẩy quá trình β hóa nhằm đạt
được mô đun đàn hồi thấp. Mô đun đàn hồi của Ti thương mại khoảng 105
GPa, hợp kim Ti-6Al-4V chứa pha loại (α+β) khoảng 110 GPa, và hợp kim
titan kiểu pha β có thể đạt được rất thấp khoảng 52 GPa, so sánh với mô đun
đàn hồi của các hợp kim khác ta thấy, thép không gỉ 316 là (190–210) GPa và
hợp kim Co-Cr là (210–253) GPa, hợp kim Titan có mô đun đàn hồi thấp phù
hợp nhất với mô đun đàn hồi của xương người. Tính chất cơ học, độ chịu mài
mòn và ăn mòn liên quan trực tiếp đến tổ chức tế vi, cỡ hạt, suy cho cùng là
liên quan đến thành phần.

14


Bảng 1.4 Tính chất cơ học hợp kim Ti pha β,ω, α', α"dùng trong y học [3]
Tên hợp kim

Giới hạn
chảy
MPa

CP Ti grade 1 ( Ủ)

240

CP Ti grade 2 ( Ủ)


Giới hạn
kéo
Mpa
Loại α

Giãn dài
%

Modul đàn
hồi ( Gpa)

170

24

102.7

245

275

20

102.7

CP Ti grade 3 ( Ủ)

450


380

18

103.4

CP Ti grade 4 ( Ủ)

550

485

15

104.1

Tiêu chuẩn

ASTM F67
ISO(5832-2)
ASTM F 67
ISO(5832-2)
ASTM F67
ISO(5832-2)
ASTM F67
ISO(5832-2)

Loại α+β
Ti-6Al-4V ELI (ủ)


860-965

795-875

10-15

101-110

Ti-6Al-4V ( Ủ )

895-930

825-869

6-10

110-114

Ti-6Al-7Nb (Rèn)

900-1050

880-950

8.1-15

114

Ti-5Al-2.5Fe ( Đúc)


1020

895

15

112

ASTM F 136
ISO(5832-3)
ASTM F 1472
ISO(5832-3)
ASTM F 1295
ISO(5832-11)
ASTM F 136
ISO(5832-10)

Loại β
Ti-13Nb-13Zr (Hóa già)

973-1037

836-908

10-16

79-84

ASTM F 1713


Ti-12Mo-6Zr-2Fe ( ủ)

1060-1100

1000-1060

18-22

74-85

ASTM F 1813

Ti-15Mo (ủ)

874

544

21

78

ASTM F 2066

Ti-15Mo-5Zr-3Al ( Ủ )

852-1100

830-1060


18-25

80

JSI T 7401-6

Ti-35Nb-7Zr-5Ta (Ủ)

597

547

19

55

Task Force F04

Ti-16Nb-10Hf ( ủ)

851

736

10

81

-


911

864

13.2

80

-

979-999

945-987

16-18

83

-

830

700

15

46

-


755

570

13

55

-

665

563

14

53

-

1010

975

19

66

-


-

2425

6.91

52

-

Ti-29Nb-15Ta-4,6Zr
( hóa già )
Ti-15Mo-2,8Nb-0,2Si
( Cán nóng )
Ti-24Nb-4Zr-7,9Sn
(Ủ)
Ti-24Nb-4Zr-7,9Sn
( Rèn nóng )
Ti-24Nb-4Zr-7,9Sn
( Nung chảy Lazer)
Ti-35Nb-7Zr-5Ta-0,4O
( Ủ)

15


Bảng 1.5 Chọn lọc các hợp kim mô đun đàn hồi thấp Ti pha β, mới phát
triển gần đây
Hợp kim Titan pha β


Phƣơng pháp chế tạo

Mô đun (Gpa)

Ti-29Nb-13Ta-4Mo

Nóng chảy / hòa tan / hóa già

50-80

Ti-29Nb-13Ta-6Sn

Nóng chảy / hòa tan / hóa già

65-70

Ti-29Nb-13Ta-4.6Sn

Nóng chảy / hòa tan / hóa già

55-78

Ti-29Nb-13Ta-2Sn

Nóng chảy / hòa tan / hóa già

45-48

Ti-30Nb-10Ta-5Zr


Thiêu kết / ép nóng đẳng tĩnh

66,9

Ti-35Nb-4Sn

Nóng chảy / cán nguội

42-45

Ti-30Zr-3Cr-3Mo

Nhiệt luyện hòa tan / cán nguội

66/78

Ti-12Mo-3Nb

Nóng chảy / Hòa tan

105

Ti-12Mo-5Ta

Ủ

74

Ti-50Ta


Nhiệt luyện hòa tan / hóa già

77/88/93

Ti-50Ta

Hòa tan

88

Ti30Zr (5,6,7)Mo

Nhiệt luyện hòa tan

75/63/66

Ti30Zr (5,6,7)Mo

Cán nguội

59/61/73

Ti-36Nb-2.2Ta-3.7Zr-0.3O

Xoắn áp suất cao

43-65

Ti-31Fe-9Sn


Đúc

147

Ti-39.3Nb-13.3Zr-10.7Ta

Đúc

71

Ti-25Nb-11Sn

ép nóng

53

Ti-12Mo-5Zr

Nhiệt luyện hòa tan

64

Ti-25Nb-2Mo-4Sn

Cán nguội / hóa già

65

1.5 Đặc trƣng của các hợp kim Titan xốp
1.5.1 Một vài nét chung về hợp kim Titan xốp

Hợp kim Titan xốp chứa các lỗ xốp với các kích thước dạng
macro/micro cho sự phát triển của mô xương, sự phân bố của các mạch máu,
đường vận chuyển chất dinh dưỡng, chất thải. Các tính toán đã chỉ ra rằng, sự

16