火花等离子烧结法制备兼具力学性能与抗菌性能的Ti-5Ag/NiTi梯度合金用于骨科植入物

为解决骨科植入物中NiTi合金因孔隙率增加导致的镍离子(Ni2+)释放风险及抗菌性能不足的问题，研究人员通过火花等离子烧结(SPS)技术制备了功能-结构一体化的Ti-5Ag/NiTi梯度合金。该材料通过多孔外层设计抑制Ni2+释放，并利用银(Ag)的抗菌特性显著提升抗感染能力，同时保持与骨匹配的弹性模量(3.5–9.0 GPa)。研究证实梯度合金能通过促进细菌产生活性氧(ROS)发挥抗菌作用，为骨科植入物的性能平衡设计提供了新思路。

　　

随着人口老龄化和运动损伤增加，骨科植入物需求激增。NiTi合金因其超弹性和形状记忆效应成为热门选择，但高弹性模量(48–55 GPa)与骨组织(6–26.6 GPa)不匹配会导致“应力屏蔽”效应——即植入体承受过多负荷而周围骨组织萎缩。虽然多孔结构能降低模量并促进骨长入，但孔隙率升高会加剧镍离子(Ni²⁺)释放，引发毒性风险。更棘手的是，现有NiTi合金缺乏内在抗菌性，术后感染率可达1–3%，翻修手术时甚至飙升至25.2%。当细菌在植入体表面形成生物膜(Biofilm)后，会逃避免疫攻击和抗生素作用，最终导致植入失败。

针对这一系列挑战，云南省第一人民医院与相关团队在《Materials Today Communications》发表研究，通过火花等离子烧结(SPS)技术开发了Ti-5Ag/NiTi梯度合金。该材料创新性地将致密NiTi内芯与多孔Ti-5Ag外层结合，利用过渡层阻隔Ni²⁺扩散，同时通过银离子(Ag⁺)的抗菌作用解决感染难题。

研究采用改进模具和NH₄HCO₃造孔剂，无需粘结剂直接烧结Ti、Ni、Ag混合粉末。通过调整外层孔隙率(30–70%)，系统评估了材料性能变化。X射线衍射(XRD)显示外层主要为α-Ti相，内层为B2(NiTi)和B19'(NiTi)相，过渡层存在Ti₂Ni相。扫描电镜(SEM)证实孔隙率增加会扩大孔洞尺寸(50–300 μm)并提升连通性，有利于细胞迁移和营养输送。

力学测试表明梯度合金弹性模量(7.8–15.4 GPa)完美匹配人骨，抗压强度(120–455 MPa)满足承重要求。细胞实验显示成骨细胞在材料表面增殖活性达90%以上，且高孔隙率样本更促进细胞铺展。抗菌测试中，含5 wt.% Ag的合金对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率超过90%，其机制是通过激活细菌内活性氧(ROS)通路导致膜破裂。

这项研究的突破性在于：

1. 首创Ti-Ag/NiTi梯度结构，通过过渡层化学键合实现Ni²⁺封存，血清浸泡28天后镍释放量低于0.08 μg/mL
2. 阐明孔隙率-孔结构-性能关系，50%孔隙率样本兼具最佳力学支撑(抗压强度328 MPa)和骨诱导能力
3. 揭示Ag抗菌的ROS机制，为长效抗菌植入物设计提供理论依据

论文的通讯作者Zengdong Meng指出，该材料已在小动物模型中实现骨整合，下一步将开展大型动物实验。这种可定制化的梯度合金设计策略，不仅适用于骨科，还可拓展至心血管支架等需要力学-生物性能平衡的医疗领域。