铜添加对Ti-24Nb-4Zr-2Mn合金微观结构、力学性能、生物腐蚀及抗菌性能的影响

为解决传统医用钛合金弹性模量不匹配及潜在细胞毒性问题，研究人员通过火花等离子烧结（SPS）制备了Ti-24Nb-4Zr-2Mn-xCu（x=0~6 wt.%）合金，系统探究了铜含量对β相稳定性、力学性能及生物相容性的影响。结果表明，含2 wt.% Cu的合金经固溶处理后弹性模量降至70.4 GPa，兼具高拉伸强度（851.5 MPa）和优异抗菌性，为骨科植入材料设计提供了新思路。

　　

随着全球老龄化加剧和运动损伤增加，每年膝关节与髋关节置换手术超过百万例。目前临床常用的钛合金如Ti-6Al-4V（TC4）存在两大痛点：一是弹性模量（~110 GPa）与人体骨（10-30 GPa）严重不匹配，导致应力屏蔽效应（stress shielding）；二是合金中的钒（V）和铝（Al）元素具有细胞毒性。为此，研究者们致力于开发兼具低弹性模量、高强度和生物安全性的β型钛合金。

四川大学团队在《Materials Chemistry and Physics》发表的研究中，创新性地在前期开发的Ti-24Nb-4Zr-2Mn（TNZM）合金基础上引入铜（Cu）元素，通过火花等离子烧结（Spark Plasma Sintering, SPS）技术制备了Ti-24Nb-4Zr-2Mn-xCu（x=0-6 wt.%）系列合金。研究发现，即使Cu含量高达6 wt.%，合金仍保持单一β相结构；经950°C固溶处理与水淬后，含2 wt.% Cu的合金展现出70.4 GPa的超低弹性模量、851.5 MPa的高拉伸强度和17.4%的延伸率，同时在Ringer's溶液中表现出卓越的生物腐蚀抗性和显著抗菌效果。

关键技术方法包括：1）采用高纯度金属粉末（Ti/Nb/Zr/Mn/Cu粒径45-15 μm）通过SPS在50 MPa压力下烧结；2）通过X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）分析相组成与微观结构；3）利用纳米压痕仪和万能试验机测试力学性能；4）电化学工作站评估Ringer's溶液中的腐蚀行为；5）抗菌实验采用抑菌圈法。

Fabrication of Ti–24Nb–4Zr–2Mn–xCu alloys
研究团队通过300 r/min球磨混粉后，发现Cu添加可促进粉末细化（图1b-f）。SPS烧结过程中，Cu的加入提高了高温熔体粘度，有助于获得致密烧结体。

Characterization of TNZM-xCu powders
XRD结果显示球磨后粉末衍射峰宽化（图1a），但各元素特征峰仍可辨识。随着Cu含量增加，粉末粒径呈下降趋势，证实Cu对粉末细化的促进作用。

Conclusions
核心结论包括：1）所有合金均保持β相主导结构；2）弹性模量随Cu含量呈"先降后升"趋势，含2 wt.% Cu时达最低值70.4 GPa；3）硬度随Cu增加轻微下降；4）在模拟体液环境中表现出优异的耐腐蚀性；5）Cu的引入赋予材料显著抗菌性能。

该研究的突破性在于首次系统阐明了Cu含量对TNZM合金多性能协同调控的规律。含2 wt.% Cu的合金不仅实现了弹性模量与人体骨的完美匹配（较传统TC4降低36%），其综合力学性能更超越ASTM F2066标准对医用钛合金的要求。特别值得注意的是，材料在保持β相稳定性的同时，通过Cu离子缓释实现了"材料自身抗菌"功能，避免了表面涂层导致的界面结合力问题。这项工作为开发新一代兼具力学适配性、生物安全性和主动抗菌功能的骨科植入材料提供了重要理论依据和技术路径。