增材制造316L不锈钢骨科植入物的体外血液相容性与亲水性优化及其在Wistar大鼠模型中的骨诱导作用

为解决传统316L不锈钢(SS)植入物亲水性低、腐蚀边界性及金属离子释放问题，研究人员通过电弧基直接能量沉积(DED)技术制备增材制造(AM) 316L SS，发现其δ-铁素体/γ-奥氏体双相结构可提升力学性能与腐蚀抗性，体外实验显示血小板粘附减少，体内实验证实其促进骨再生且无毒性，为骨科植入物设计提供新策略。

　　

研究背景与意义
316L不锈钢(SS)作为骨科植入材料长期面临两大挑战：表面亲水性不足导致细胞粘附率低，以及腐蚀边界性引发的金属离子(如Fe、Ni、Cr、Mo)释放风险。这些问题可能引发血栓形成、骨整合延迟甚至器官毒性。传统减材制造工艺还存在材料浪费率高、加工周期长等缺陷。增材制造(AM)技术因其低买飞比(BTFR)、高材料利用率等优势成为解决方案，但电弧基直接能量沉积(DED)工艺中δ-铁素体相的形成机制及其对生物性能的影响尚不明确。

研究方法与技术路线
国家理工学院Rourkela的研究团队通过集成自主送丝系统(AWFS)的GMAW-WAAM技术，优化焊接参数(电压20.9V、送丝速度2.2m/min、工作台速度11.2%)，制备不同层间停留时间(DT 1-3分钟)的316L SS样品。采用响应面法(RSM)优化沉积特性，通过显微组织分析、力学测试、电化学腐蚀实验评估材料性能，结合体外血小板粘附实验和Wistar大鼠体内植入实验验证生物相容性。

研究结果

1. 微观结构与力学性能
   AM 316L SS呈现γ-奥氏体基体中分布δ-铁素体的双相结构。δ-铁素体通过钉扎位错提升抗裂纹扩展能力，使极限抗拉强度(UTS)达512.53MPa，优于传统316L SS(485MPa)。延长DT至3分钟可促进Cr、Mo元素偏聚，使钝化层厚度增加47%，腐蚀速率降至0.08mm/year。

2. 血液相容性优化
   接触角测试显示AM样品亲水性显著提升(接触角<65°)，促进体液蛋白吸附。血小板粘附实验显示粘附量减少32%，溶血率仅0.6±0.3%，表明改良的血流相容性(BCI)。

3. 体内骨诱导效应
   Wistar大鼠植入12周后，显微CT显示AM植入物周围骨小梁密度增加21%，胶原纤维排列紧密。血液生化分析未发现肝肾功能指标异常，证实长期生物安全性。

结论与展望
该研究首次阐明WAAM工艺中DT通过调控δ-铁素体含量影响316L SS的力学-生物性能协同效应。双相结构不仅提升材料强度，还通过优化Cr/Mo被动层降低离子释放风险。亲水性表面促进成骨细胞增殖，δ-铁素体引导的胶原纤维定向沉积加速骨再生。成果发表于《Biomaterials Advances》，为兼具结构功能一体化的骨科植入物设计提供新范式，未来可探索δ-铁素体含量梯度化植入物的临床转化潜力。