超轻质生物医用TC4-Cu多孔合金的激光粉末床熔融制备：兼具优异力学性能与骨整合能力的突破

本研究针对多孔含铜钛合金高强低模量难以平衡的难题，通过激光粉末床熔融(LPBF)技术制备蜂窝结构TC4-5Cu多孔合金(孔径500-800μm)，系统揭示了孔隙尺寸通过调控纳米孪晶α'相和球形Ti2Cu相分布提升力学性能的机制，其弹性模量(31.2-38.9 GPa)接近人骨，植入兔颌骨4-12周后展现出优于商业TC4的骨整合能力与更低炎症因子水平，为骨科植入物设计提供新思路。

　　

传统钛合金骨科植入物面临两大困境：高弹性模量导致的应力屏蔽效应（植入物与骨组织刚度不匹配引发骨吸收），以及缺乏抗菌性引发的术后感染。商业TC4合金模量达110 GPa，远高于人骨皮质(4-30 GPa)，而常规铸造的TC4-Cu合金模量仍高达107-117 GPa。更棘手的是，复杂多孔结构难以通过传统工艺实现，孔隙尺寸对微观结构演变的系统性影响尚属空白。

为解决这一系列问题，中国某研究团队创新性地采用激光粉末床熔融(LPBF)技术，设计出垂直孔径500-800μm、壁厚200μm的蜂窝状TC4-5Cu多孔合金。研究发现，增大孔隙尺寸会加速冷却速率，促使纳米孪晶α'相和球形Ti₂Cu相细化分布。其中700μm孔径样品展现出最佳综合性能：密度低至2.34 g/cm³（较致密TC4降低47%），屈服强度达835.9 MPa，同时弹性模量仅31.2 GPa，完美匹配人骨力学需求。动物实验显示，该材料植入兔颌骨12周后，孔隙内新生骨组织填充率达90%以上，炎症因子TNF-α水平显著低于商业TC4植入体。这项突破性成果发表于《Materials》期刊，为开发兼具力学适配性和生物活性的新一代骨科植入物提供了全新范式。

关键技术方法包括：1) 通过LPBF制备梯度多孔结构；2) EBSD分析晶界分布与取向；3) TEM表征纳米孪晶与Ti₂Cu相；4) 兔颌骨植入模型评估骨整合；5) Micro-CT三维重建骨长入情况。

【3.1 相对密度与孔隙率】
LPBF成型的样品相对密度>98.5%，实际孔隙率34.4-47.6%。XRD显示α'/α相衍射峰强度随孔径增大先右移后左移，800μm样品中出现更多纳米孪晶α'相。

【3.2 微观结构】
EBSD揭示700μm样品具有最高比例的高角度晶界(90.3%)。TEM发现孔径增至800μm时，Ti₂Cu相从50nm细化至20nm，且纳米孪晶密度提升3倍，这是首次在LPBF钛合金中发现孔隙尺寸调控的孪晶强化效应。

【3.3 力学性能】
700μm样品展现最佳强度-模量平衡：屈服强度835.9 MPa（比致密Ti-5Cu高41%），模量31.2 GPa（较商业TC4降低72%）。800μm样品因纳米孪晶强化，强度仅比700μm样品降低5.7%。

【3.4 生物相容性】
Micro-CT显示700μm样品植入4周即实现孔隙内骨长入，12周时新生骨完全填充孔隙。H&E染色证实其炎症细胞数量比TC4对照组减少60%，Masson染色显示胶原沉积量增加2倍。

这项研究开创性地通过LPBF多孔结构设计解决了钛合金"高模量-低强度"的矛盾，首次阐明孔隙尺寸通过调控纳米孪晶和Ti₂Cu相分布实现协同强化的机制。其临床意义在于：1) 模量31.2 GPa可彻底消除应力屏蔽；2) 纳米Cu²⁺持续释放赋予长效抗菌性；3) 多孔结构促进血管化骨再生。该材料已具备转化应用潜力，有望革新人工关节、牙种植体等医疗器械的设计标准。