钛合金单点渐进成形(Ti-6Al-4V)的生物医学应用：工艺优化与体外生物相容性评估揭示表面粗糙度对骨整合的关键调控作用

本研究创新性地采用单点渐进成形(SPIF)技术制备Ti-6Al-4V ELI医用植入体，系统探究工具直径/壁角/步深等参数对表面形貌-力学性能-生物效应（含细胞增殖/基因毒性/成骨分化）的多维调控机制，证实优化表面粗糙度可同步提升BMP-2/ALP表达水平，为个性化植入体"制造-性能-功能"一体化设计提供新范式。

　　

Highlight

本研究证实单点渐进成形(SPIF)技术可成功用于Ti-6Al-4V钛合金复杂几何形状的精密制造，实现尺寸精度与生物功能的协同调控。这项系统性研究确立了SPIF作为变革性制造技术在患者特异性植入体领域的应用价值，首次揭示了工艺参数-微观结构-性能表现的全链条关联机制。

表面表征、微观结构观察与硬度测量

图7展示了SPIF加工试样与原始材料的对比数据，包括成形后厚度、表面粗糙度（2D及三维参数）、维氏硬度(HVIT)和晶粒尺寸。为增强结果解读，我们采用多尺度表征手段：白光干涉仪量化表面拓扑特征，X射线衍射分析相变行为，扫描电镜(SEM)追踪微观结构演变。特别值得注意的是，当工具直径减小至0.8mm配合15°壁角时，试样呈现独特的纳米级波纹结构，其Sa值(2.1±0.3μm)较传统机加工表面降低37%，这种特征显著促进了成骨前体细胞的伪足延伸。

结论

实验数据表明，材料机械响应与动态再结晶过程密切相关——在450°C成形温度下，β相含量提升至18.6%，伴随<10μm的等轴α晶粒形成，这种"双相纳米化"结构使硬度提升至342HV_0.2，同时维持了优异的延展性(断裂延伸率>15%)。生物学评估揭示表面粗糙度与细胞行为存在非线性关系：中等粗糙度(Sa=3.2μm)样本表现出最佳的成骨基因表达谱，其BMP-2 mRNA水平较对照组提升4.7倍，碱性磷酸酶(ALP)活性增加2.3倍，证实了表面拓扑特征对骨髓间充质干细胞命运决定的精确调控能力。