铜合金化协同抑制SLM成型钛种植体生物腐蚀与疲劳裂纹的双功能机制研究

【编辑推荐】针对钛种植体在口腔环境中面临的微生物腐蚀(MIC)与疲劳失效协同难题，中国科学院金属研究所团队通过选择性激光熔化(SLM)技术开发Ti-5Cu合金，证实铜合金化可同步实现48%腐蚀电流密度降低和57.3%疲劳寿命提升，其抗菌界面与Ti2Cu相协同作用为植入器械长效服役提供新范式。

　　

钛合金作为骨科和牙科植入物的"黄金标准"，长期面临着一个致命矛盾：虽然其优异的机械强度和生物相容性支撑了90%以上的临床需求，但口腔环境中潜伏的微生物腐蚀(MIC)与咀嚼循环载荷的协同作用，导致10%-20%的种植体发生晚期失效。更棘手的是，传统加工技术难以实现个性化植入物的复杂结构，而新兴的3D打印技术又面临微生物生物膜引发的腐蚀加速难题。

针对这一跨学科挑战，中国科学院金属研究所联合多家医疗机构的科研团队在《Journal of Materials Science》发表突破性研究。团队创新性地采用选择性激光熔化(SLM)技术制备Ti-5Cu合金，通过多尺度表征技术揭示铜元素如何像"双面特工"般同时对抗微生物腐蚀和机械疲劳。研究首次证实，当口腔主要致病菌变异链球菌(S. mutans)侵袭时，合金中均匀分布的Ti₂Cu相可持续释放铜离子，在表面形成动态抗菌屏障。

关键技术方法包括：采用ProX DMP 200型SLM设备制备样品，通过电化学工作站分析腐蚀行为，结合原位疲劳测试系统监测力学性能演变，运用扫描电镜(SEM)和能谱(EDS)解析微观结构，并开展细胞相容性实验验证生物安全性。

【微生物腐蚀抑制机制】
电化学测试显示，经过14天S. mutans培养后，Ti-5Cu的腐蚀电流密度较纯钛降低48%。深度分析发现，铜离子释放形成的CuO/Cu₂O氧化层能有效破坏细菌电子传递链，使生物膜厚度减少62%。更关键的是，腐蚀产物中的铜化合物会重新沉积在蚀坑内，形成"自修复"防护层。

【疲劳-腐蚀协同抵抗】
90天加速老化实验呈现惊人结果：在模拟口腔的复合应力环境下，Ti-5Cu的极限抗拉强度损失比纯钛低47.5%（42.5 vs 81 MPa），最大点蚀深度减少70%（3.3 vs 10.9 μm）。断层扫描显示，铜合金化使裂纹扩展路径发生明显偏转，疲劳裂纹扩展速率降低2.3倍。

【微观结构强化】
SLM工艺产生的交错层状α/α'相结构，与纳米级Ti₂Cu沉淀相形成"钢筋混凝土"般的强化网络。这种结构使裂纹扩展需要消耗额外能量，冲击韧性提升达35%。

【生物相容性验证】
尽管含有抗菌成分，Ti-5Cu表现出与纯钛相当的细胞存活率（>95%）。特别值得注意的是，合金表面成骨细胞粘附密度反而增加18%，表明铜释放浓度处于"治疗窗口"内。

这项研究开创性地提出"抗菌化学-抗疲微观结构"协同设计理念，为解决植入体晚期失效提供了双管齐下的解决方案。其价值不仅在于将种植体服役寿命理论延长2.7倍，更启示了通过金属3D打印实现材料功能定制化的新方向。正如通讯作者Dake Xu强调的，该技术路线可直接整合到现有临床工作流，从深圳到斯德哥尔摩的牙科诊所都可能因此受益。未来研究将聚焦于个性化孔隙结构的抗菌优化，以及铜释放动力学的精准调控。