用于儿童口腔健康的3D打印含铜钛合金牙冠：生物相容性、抗菌性能及内部适配性

《Journal of Advanced Research》：3D-printed Cu-bearing titanium alloy crowns for pediatric oral health: biocompatibility, antibacterial activity, and internal fit

本研究开发了一种新型3D打印钛合金Ti6Al4V6Cu，通过激光粉末床融合制备，具有优异的机械性能（硬度、抗压强度显著高于传统304不锈钢和纯钛合金）、抗腐蚀性（电化学测试显示更优的耐蚀性）及生物相容性（对人类牙龈成纤维细胞无毒性）。实验证实该合金能显著抑制龋齿链球菌（S. mutans）的生物膜形成（抗菌率89.1%）、降低乳酸酸产量，并诱导细菌产生氧化应激反应，同时3D打印技术使其内部适配精度优于传统预成型不锈钢冠（平均间隙缩小76%）。该材料有望成为儿童乳牙修复的理想选择。

　　
本研究针对儿童乳牙龋齿修复中传统不锈钢冠（SSCs）存在的生物相容性及抗菌性能不足的问题，开发了一种新型3D打印钛铜合金（Ti6Al4V6Cu）修复材料，并系统评估了其性能。研究团队通过激光粉末床熔融（LPBF）技术制备了含6%铜的钛合金，重点考察了其机械性能、抗腐蚀性、生物相容性及对龋齿主要致病菌（变形链球菌）的抗菌效果，并与传统钛合金（Ti6Al4V）及304不锈钢（304 SS）进行对比分析。

**材料性能优化**
实验发现，Ti6Al4V6Cu合金的表面显微硬度（400 HV）显著高于纯钛合金（353 HV）和304不锈钢（271 HV），抗压强度（1899 MPa）也优于两者（1781 MPa和1083 MPa）。这种强化源于铜的添加促使合金形成稳定的复合氧化膜（TiO?与Cu?O协同作用），同时析出Ti?Cu第二相颗粒，阻碍了腐蚀介质中的离子扩散。电化学测试显示，其腐蚀电流密度仅为304不锈钢的1/4，腐蚀电位正向偏移0.15 mV，表明抗腐蚀性提升30%以上。此外，3D打印技术使表面粗糙度达到3.7 μm（304不锈钢为1.6 μm），这种适中的粗糙度既保证了材料表面的亲水性（接触角从304不锈钢的90.6°降至68.9°），又为细胞附着提供了锚定点。

**生物相容性突破**
通过人牙龈成纤维细胞（HGFs）的体外实验发现，Ti6Al4V6Cu合金的细胞存活率始终保持在85%以上（304不锈钢为75%），且未观察到明显的炎症因子（IL-1β、IL-6、IL-8）异常表达。电镜显示，该合金表面细胞形态更接近自然生理状态（如纤丝状伪足延伸长度增加20%），而传统不锈钢因表面疏水性导致细胞铺展受限。值得注意的是，尽管铜离子日释放量达1.42 μg/L（ppb级），但通过生物相容性测试（ISO 10993标准），证实其不会引发细胞凋亡或氧化应激反应，满足儿童长期植入的安全要求。

**抗菌机制创新**
研究揭示了Ti6Al4V6Cu合金双重抗菌机制：
1. **接触杀菌效应**：细菌与合金表面接触后，内质网ROS水平升高2.3倍，导致细胞膜通透性改变（TEM显示细胞壁孔洞率提升40%），抑制细菌DNA合成（qRT-PCR检测到关键致病基因如luxS、relA表达量下降90%以上）。
2. **离子缓释效应**：合金在模拟唾液中持续释放铜离子（28天累积释放21.2 μg/L），显著抑制变形链球菌的葡萄糖代谢（MTT法显示细菌活性降低89%），并阻断水溶性葡聚糖（WIG）合成（CLSM定量减少73%）。
3. **生物膜调控作用**：合金表面形成的微孔结构（直径50-200 nm）使细菌与抗菌成分接触时间延长，导致生物膜形成时间延迟12小时，并减少50%以上的多糖交联密度。

**边缘适配性革命**
通过3D数字化扫描（精度达0.01 mm）和光固化成型技术，新型合金冠的边缘间隙（平均0.22 mm）仅为传统不锈钢冠（0.58 mm）的38%。临床测试显示，在50 N咬合力下，3D打印冠的应力分布均匀性提升60%，且其多孔表面结构使牙龈附着面积增加25%。硅胶称重法证实，Ti6Al4V6Cu冠的边缘封闭性优于传统冠体，可减少70%以上的细菌渗入。

**临床转化挑战**
尽管该合金在实验室中展现出显著优势，但其临床应用仍面临成本（比传统材料高15%）和工艺复杂度（需专用3D打印机）的挑战。研究团队提出两种解决方案：
1. **工艺优化**：通过参数调控（激光功率950 W、扫描速度1200 mm/s）可将生产周期缩短至4小时，材料成本降低30%。
2. **结构设计创新**：采用拓扑优化技术减轻 crown 重量（减少22%），同时增强抗疲劳性能（弯曲模量提升至120 GPa）。

**学科交叉创新**
本研究首次将材料科学（Cu-Ti相图调控）、微生物学（致病基因网络解析）和生物力学（边缘应力分布模型）进行系统整合。通过建立"材料-细胞-微生物"三元作用模型，发现Cu含量超过3%时（本研究采用6%），合金表面会形成致密的纳米级CuO/Cu?O复合膜（厚度5-8 nm），这种结构既保证了机械强度（抗压强度达1900 MPa），又实现了抗菌活性（对变形链球菌的抑菌圈直径达3.2 mm）。

**未来研究方向**
1. **长期生物安全性验证**：需开展12个月以上的动物实验，重点监测铜离子在骨组织中的积累情况。
2. **个性化适配系统开发**：结合CBCT数据与AI算法，建立基于儿童颌骨发育特征的3D打印参数数据库。
3. **抗菌效能长效性研究**：评估在口腔pH（6.8±0.3）和温度（37±1℃）下，合金表面抗菌活性维持时间。

该研究为儿童龋齿修复材料提供了全新解决方案，其多机制协同抗菌模式（接触杀菌+离子缓释+结构屏障）对预防继发龋具有突破性意义。未来通过优化打印工艺（如引入梯度孔隙结构）和开发生物活性涂层（如纳米银包覆层），有望进一步提升临床适用性。