研究一种具有经济价值物质——CU-BTC-HMTA的高二氧化碳吸附能力

《Materials Characterization》：Investigating the high CO 2 adsorption capacity of an economically beneficial substance, CU-BTC-HMTA

激光粉末床熔融制备的含铜AISI 316L不锈钢通过铜微偏析和纳米氧化物形成增强抗菌性能（抑制S aureus达97.99%）及细胞增殖（ viability提升至100%），电化学测试显示抗点蚀性能降低但整体腐蚀可控（日释铜2.5 ppb）。表面接触角减小（66.5° vs 73.2°），XPS证实形成(Fe/Cr/Cu)?O?氧化膜。该材料为骨科植入物提供兼具抗菌与生物相容性解决方案。

　　本研究聚焦于一种新型的铜合金不锈钢材料，旨在开发兼具抗菌性能和细胞相容性的双功能生物材料，以应对与植入物相关的感染问题。AISI 316L不锈钢作为一种广泛使用的生物材料，因其在生物环境中的卓越耐腐蚀性而受到高度重视。然而，传统不锈钢材料在抑制细菌附着、生长和繁殖方面存在一定的局限性，这使得减少细菌诱导的污染和疾病成为医学领域的重要课题。因此，通过引入铜元素，增强材料的抗菌能力，同时保持其良好的生物相容性，成为研究的重点方向。

在本研究中，研究人员采用激光粉末床熔融（L-PBF）技术制备了铜合金化的AISI 316L不锈钢。L-PBF作为一种先进的增材制造技术，不仅能够生产出复杂结构的零件，还能通过工艺参数的调控实现对材料微观结构的精确控制。这种技术特别适用于需要高性能和特殊功能的合金材料。研究发现，铜的加入不仅改变了材料的微观结构，还对其电化学性能和生物响应产生了重要影响。例如，通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）分析，研究人员观察到铜在材料中以微区分布的方式存在，尤其是在纳米氧化物和细胞边界处。这种铜的微区富集现象可能与快速凝固过程有关，同时也对材料的抗菌机制具有关键作用。

从电化学测试的角度来看，铜合金化后的AISI 316L样品表现出与传统AISI 316L相似的腐蚀行为，但在抗点蚀能力方面有所下降。这一变化主要归因于铜对被动膜形成的影响。被动膜的稳定性是不锈钢耐腐蚀性能的关键因素之一，而铜的加入可能导致被动膜的结构更加复杂，甚至出现一些缺陷，从而影响其在腐蚀环境中的表现。尽管如此，铜的释放仍然显示出显著的抗菌效果。研究发现，铜离子在生理盐水中以痕量水平（约2.5 ppb/cm2）释放，这种浓度被认为对人体健康影响极小。同时，这种释放机制可能对抑制细菌生物膜的形成具有积极作用，从而减少感染的风险。

在生物相容性方面，研究人员采用MG63细胞（一种类似于成骨细胞的细胞系）进行了体外实验，以评估材料对细胞生长和增殖的影响。结果显示，AISI 316L-Cu材料在接触MG63细胞后，能够促进细胞的附着、生长和扩展，表明其具有良好的细胞相容性。此外，材料表面的亲水性也得到了改善，这有助于细胞的附着和生长。这些发现为铜合金化不锈钢在骨科植入物中的应用提供了有力支持。

研究还深入探讨了铜在抗菌过程中的作用机制。通过分析细菌与材料表面的相互作用，研究人员发现铜离子能够破坏细菌的细胞膜结构，从而影响其正常的生理功能。此外，铜离子的释放可能引发一系列氧化反应，产生具有高度反应性的羟基自由基（OH·），这些自由基对细菌细胞的脂质、蛋白质和核酸等关键成分具有破坏作用，从而实现抗菌效果。然而，研究同时指出，铜离子的释放可能会对材料的耐腐蚀性能产生一定影响，因此在设计和应用此类材料时，需要在抗菌性能和耐腐蚀性之间找到一个平衡点。

此外，研究还关注了铜合金化对材料表面特性的影响。例如，通过接触角测量和X射线光电子能谱（XPS）分析，研究人员发现铜的加入改变了材料的表面亲水性，并影响了表面氧化物的组成。这些变化可能与材料的表面结构和氧化物的形成有关，从而进一步影响其生物相容性和抗菌能力。研究还通过模拟体液（SBF）实验，评估了材料的生物活性，发现铜合金化后的AISI 316L能够在28天内形成类似羟基磷灰石（HA）的沉积物，这表明其具有良好的生物活性，可能有助于促进组织的生长和修复。

在细胞相容性方面，研究发现AISI 316L-Cu材料不仅能够支持细胞的附着和增殖，还能促进细胞的形态变化，如细胞的铺展和丝状伪足的形成。这些细胞行为的变化可能与铜离子对细胞代谢和信号传导的影响有关，从而增强细胞与材料之间的相互作用。同时，研究还指出，铜离子的释放浓度较低，不会对细胞造成明显的毒性作用，因此在医学应用中具有较高的安全性。

研究结果表明，AISI 316L-Cu材料在保持良好生物相容性的前提下，能够显著提升其抗菌性能。这种双功能特性使其在骨科植入物等生物医学应用中具有广阔前景。然而，研究也指出，铜的加入可能会对材料的耐腐蚀性产生一定的负面影响，因此未来的研究需要进一步优化铜的含量和分布，以确保材料在长期使用过程中既能有效抑制细菌感染，又能保持良好的机械性能和耐腐蚀性。

总的来说，这项研究展示了铜合金化AISI 316L不锈钢在骨科植入物中的应用潜力。通过L-PBF技术制备的这种材料，不仅能够有效抑制细菌的生长和附着，还能促进细胞的增殖和分化，从而提升其生物相容性。尽管铜的加入可能对材料的耐腐蚀性产生一定影响，但其抗菌效果和生物活性的提升表明，这种材料在医学领域具有重要的应用价值。未来的研究可以进一步探索如何优化铜的含量和分布，以实现更好的抗菌性能和耐腐蚀性之间的平衡，同时进行更长时间的体内实验，以评估其在实际应用中的安全性。