增材制造Ti-Ta合金：兼具生物活性与抗疲劳性能的骨科植入材料新突破

针对传统骨科金属材料生物惰性、力学性能不足等问题，研究人员通过激光粉末床熔融(LPBF)原位合金化技术开发了50 wt% Ti-Ta合金。该材料结合了Ta的生物活性与Ti的轻量化特性，疲劳寿命达105次循环（110%屈服强度），植入兔股骨12周后骨-植入体接触率达40%。研究首次揭示了LPBF工艺参数对Ti-Ta合金微观结构-性能的调控机制，为骨科植入物提供了创新解决方案。

　　

骨科植入材料的困境与突破
全球每年超过220万例骨移植手术面临供体短缺和免疫排斥问题，而传统钛合金（如Ti6Al4V）虽力学性能优异却存在生物惰性、铝钒毒性等缺陷。钽(Ta)虽具有卓越生物活性，但其高密度(16.65 g/cm³)和成本限制了临床应用。如何开发兼具生物活性与力学适配性的新型植入材料，成为骨科领域的重大挑战。

中国研究人员在《Smart Materials in Manufacturing》发表的研究中，创新性地采用激光粉末床熔融(LPBF)技术，通过原位合金化将50 wt% Ti与Ta粉末直接熔合，成功制备出密度仅7 g/cm³的Ti-Ta合金。研究团队通过调控激光功率(100-340 W)和扫描速度(300-600 mm/s)，系统分析了能量密度(55.6-377.8 J/mm³)对材料微观结构及性能的影响机制。

关键技术方法
研究采用SLM Solutions 125 H L设备制备三维多孔支架，通过SEM/EBSD表征α(HCP)、β(BCC)和正交马氏体相变；采用ISO 13314标准进行压缩测试和20 Hz高频疲劳试验；通过MC3T3-E1细胞培养、ALP/ARS染色及兔股骨植入实验评估生物性能；结合Micro-CT和推出力测试量化骨整合效果。

可控的微观结构设计
通过调节LPBF参数可精准控制未熔Ta颗粒分布：低功率(100 W)样品中未熔Ta颗粒富集于熔池边界，形成α相主导结构；而高功率(340 W)样品则促进Ta扩散，形成β相占比90%的均质BCC结构。XRD显示能量密度提升会促使正交马氏体(39.46°峰)向六方马氏体转变。

卓越的力学性能
优化后的Ti-Ta合金(S-220组)在110%屈服强度下实现10⁵次疲劳循环，远超纯Ti的10⁴次。Weibull分析显示其10⁵次循环存活率达80%，接近纯Ta水平。值得注意的是，低功率样品因未熔Ta颗粒引发应力集中，疲劳性能反而低于纯Ti。

突破性生物相容性
表面粗糙度随激光功率增加而提升(S-340组Ra=18.5 μm)，接触角降至55°，显著优于纯Ti(75°)。体外实验显示S-220组ALP活性较纯Ti提高2.3倍，OPN基因表达量达4.8倍；兔模型12周时骨-植入体接触率(BIC)达40%，推出力(420 N)接近纯Ta支架(450 N)。

临床转化意义
该研究首次阐明LPBF参数-微观结构-性能的调控关系：较高能量密度(146.7 J/mm³)可平衡未熔Ta颗粒控制与β相形成，使材料兼具Ta的生物活性(促进Col-I、Runx2表达)和Ti的力学优势。所开发的Ti-Ta合金密度较纯Ta降低58%，疲劳寿命比Ti6Al4V提高10倍，其独特的梯度孔隙结构(30-100 μm)更利于骨长入。这项技术为个性化骨科植入物提供了新范式，未来可通过调整Ta含量(20-80 wt%)进一步优化性能组合。

研究团队特别指出，未优化参数的Ti-Ta合金性能可能劣于纯Ti，这强调了工艺控制的重要性。该成果不仅解决了传统Ti合金生物惰性问题，更通过AM技术实现了难熔金属合金的精密制造，为骨缺损修复提供了兼具力学适配性和成骨活性的创新解决方案。