DED-LB公司制造的Ti–6Al–4V–4Cu合金：材料开发、性能表征及体内生物相容性研究

《Journal of Materials Research and Technology》：DED-LB manufactured Ti–6Al–4V–4Cu alloy: materials development, characterization, and in vivo biocompatibility

采用DED-LB工艺制备Ti–6Al–4V–4Cu合金，优化了双向沉积路径与递减激光功率策略，通过微观结构分析（SEM/XRD）和电化学测试证实其优异耐腐蚀性，并利用小鼠皮下植入模型评估生物相容性，显示无炎症反应且金属离子释放稳定。

　　本研究聚焦于一种新型钛合金——Ti–6Al–4V–4Cu的制造、表征以及其在生物体内的相容性。通过使用定向能量沉积（DED-LB）工艺，配合环形激光束（ALB），研究人员成功地制备了这种合金，并对其物理特性、微观结构和生物相容性进行了深入分析。该合金由球形的Ti–6Al–4V和Cu粉末组成，采用DED-LB工艺能够实现对材料组成和结构的精确控制，从而为生物医学应用提供了一种有前景的解决方案。

在制造过程中，研究人员通过调整制造策略，包括采用双向沉积路径以及逐步降低ALB功率和初始功率，最终确定了最优的制造参数。选择初始功率为1250 W，这不仅有助于提高制造过程的稳定性，还能改善层间结合质量，从而获得结构更为均匀的合金样品。通过光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）和能量散射X射线光谱（EDS）等手段，对合金的微观结构进行了详细分析。结果显示，该合金形成了由钛α相、钛β相以及钛铜（Ti?Cu）金属间化合物组成的微观结构，这些结构对于合金的性能具有重要影响。

为了评估该合金的电化学性能，研究人员在模拟生理环境中进行了测试。结果表明，Ti–6Al–4V–4Cu合金在电化学行为上表现出良好的被动性，且其抗腐蚀能力与不含铜的Ti–6Al–4V合金相当。此外，通过X射线衍射（XRD）分析，研究人员确认了合金中Ti?Cu相的存在，并进一步揭示了其在合金中的分布情况。这些结果为后续的生物相容性评估提供了重要的基础信息。

为了全面评估该合金在体内的生物相容性，研究人员采用小鼠的皮下植入模型进行实验。通过植入直径为5 mm、厚度为1 mm的圆盘状样品，观察了小鼠在植入后的生理、血液学、生化以及组织学反应。研究发现，小鼠在植入后未表现出任何不良反应，包括正常的进食和饮水行为、稳定的体重以及典型的活动模式。血液学和代谢分析显示，Ti–6Al–4V–4Cu合金、Ti–6Al–4V合金、假手术对照组和未处理组之间没有显著差异，表明该合金在体内未引起明显的系统性毒性或代谢紊乱。

组织学分析进一步证明了该合金的良好生物相容性。植入物被周围的组织包裹，形成一个松散的结缔组织囊，其中含有巨噬细胞、成纤维细胞、粒细胞以及散在的胶原纤维。值得注意的是，未发现肉芽肿性炎症、免疫细胞浸润或异常组织形态等可能的不良反应。这表明Ti–6Al–4V–4Cu合金在体内具有良好的组织整合能力，不会引发严重的炎症反应。此外，通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析小鼠血清中的金属离子浓度，发现铜、铝、钒和钛的浓度保持稳定，没有出现系统性金属释放的现象，进一步支持了该合金在体内的安全性。

综上所述，Ti–6Al–4V–4Cu合金在制造过程中展现出良好的结构稳定性，其微观结构特征和电化学性能均满足生物医学材料的要求。通过体内实验，该合金被证实对小鼠无毒，且在长期观察期间未引发任何不良反应，这表明其在生物医学应用中具有巨大的潜力。未来的研究将重点探讨该合金在感染环境下的抗菌性能，以及其在骨科或牙科植入模型中的实际表现，以进一步验证其作为结构和抗菌材料的双重功能。此外，研究团队还计划评估该合金在更复杂的应用场景下的性能，包括在不同生物模型中的长期生物相容性表现。这些结果不仅为新型生物材料的开发提供了重要参考，也为钛合金在生物医学领域的应用拓展了新的可能性。