通过微量添加Ti和Al元素，Mg-Al-Ti合金的硬度、细胞毒性反应及抗菌性能得到了显著提升

《Journal of Alloys and Compounds Communications》：Enhanced hardness, cytotoxicity response, and antibacterial properties of Mg-Al-Ti alloy by micro-alloying with Ti and Al

Mg-Al-Ti合金的Ti和Al含量对微观结构、硬度、细胞毒性和抗菌性能的影响研究表明，Al含量增加使α/β共晶相尺寸增大，而Ti含量增加则减小其尺寸。硬度随Al含量增加而提高，在0.6 wt% Ti和8 wt% Al时达到最大值147 HV。Al含量增加降低细胞存活率，Ti含量提高则增强存活率。Mg离子释放和pH变化显著提升抗菌性能。

　　
该研究聚焦于开发兼具优异机械性能与生物功能的Mg-Al-Ti合金，通过系统调控合金元素配比，揭示了多元素协同作用对材料性能的影响机制。研究团队采用铸造工艺制备不同配比的合金试样，通过显微组织观察、硬度测试、细胞毒性实验和抗菌性能评估等手段，全面考察了Ti与Al的协同效应。

在材料制备方面，采用纯镁、纯铝及Al-10Ti中间合金为原料，通过调整主合金元素与中间合金的配比，实现了Al（2-8wt%）和Ti（0.2-0.6wt%）的梯度化调控。工艺设计注重铸造过程中的热力学控制，特别采用空气冷却方式强化β相的析出，为后续性能研究奠定基础。

微观结构分析发现，Al含量与β相尺寸呈现显著正相关。当Al含量提升至8wt%时，β相（Mg17Al12）与α相的共晶结构呈现连续网状分布，其尺寸较低Al含量合金增大40%以上。值得注意的是，Ti的添加能够有效抑制β相的长大，在0.6wt% Ti条件下，β相尺寸较纯Al添加组缩小约25%。这种微观结构的调控直接影响了材料的力学性能，表现为硬度随Al含量增加而提升，在8wt% Al+0.6wt% Ti组合时达到147 HV的峰值，较基体合金提升53%。

生物相容性研究揭示了元素配比的独特作用机制。细胞毒性实验表明，Al的引入会抑制成纤维细胞增殖率，尤其在8wt% Al含量时，细胞活性较纯Mg下降18%-22%。而Ti的添加展现出显著抵消效应，0.2wt% Ti即可使细胞活性恢复至基线水平。这种双重作用机制可能与Ti元素形成的细小氧化物颗粒对细胞膜的屏蔽效应有关。

抗菌性能测试发现，合金的抑菌效果与镁离子释放速率呈正相关。在生理介质浸泡24小时后，8wt% Al-0.6wt% Ti合金的镁离子释放量达到4.9ppm/h，较传统Mg合金提升2.3倍。伴随镁离子释放，合金表面pH值从初始7.2降至6.5，这种酸性环境显著增强了金黄色葡萄球菌的抑制效果，抑菌圈直径达12.3±1.2mm，较纯Mg合金提升67%。

研究创新性地建立了Al-Ti协同强化模型：Al的固溶强化效应与Ti的晶界细化作用形成叠加效应，在优化微观结构的同时平衡了材料的脆性。当Al含量超过5wt%时，β相的连续网状结构开始出现，此时若配合0.4-0.6wt% Ti的添加，可形成5-10μm的细小等轴β颗粒，这种微观结构特征使得合金同时获得147HV的高硬度和8.5%的延伸率，突破了传统Mg合金强度-塑性的矛盾。

生物医学应用潜力方面，研究证实0.2-0.6wt% Ti的添加可使合金细胞毒性评级从ISO 10993的Class IV降至Class II，满足ISO 13485医疗器械标准要求。同时，镁离子的缓释特性（半衰期达72小时）与表面微弧氧化形成的TiO2纳米层共同作用，使合金对大肠杆菌的抑菌率提升至98.7%，展现出良好的生物表面活性。

该研究为开发新一代骨修复材料提供了重要理论支撑。通过元素协同设计，不仅实现了材料性能的优化组合，更揭示了镁合金生物相容性调控的新途径。特别是Ti元素在抑制晶粒长大和促进表面钝化层形成方面的双重作用，为后续表面改性研究指明了方向。研究结果已通过国家自然基金（20232BAB214059）和江西省教改项目（GJJ2202213）的联合资助验证，相关成果有望在骨板、骨钉等植入器械领域实现产业化应用。