激光粉末床熔融制备生物相容性Ti15Ta、Ti10Ta2Nb2Zr和Ti13Nb13Zr5Cu钛合金多材料接头用于功能梯度骨科植入物

《Metals》：Multi-Material Joints of Biocompatible Ti15Ta, Ti10Ta2Nb2Zr, and Ti13Nb13Zr5Cu Titanium Alloys Fabricated by Laser Powder Bed Fusion for Functionally Graded Orthopedic Implants

　　

本研究通过激光粉末床熔融（LPBF）技术制备并系统研究了三种生物相容性低模量钛合金——Ti15Ta、Ti10Ta2Nb2Zr和Ti13Nb13Zr5Cu——的多材料接头，旨在开发功能梯度骨科植入物。研究人员对三对两两组合接头进行了考察（Ti10Ta2Nb2Zr/Ti15Ta、Ti15Ta/Ti13Nb13Zr5Cu和Ti13Nb13Zr5Cu/Ti10Ta2Nb2Zr）。对控制过渡区形成的工艺参数进行了优化：合金对与工艺制度的全部九种组合均获得了99.35–99.73%的相对密度且无宏观缺陷；单因素方差分析（one-way ANOVA）表明，第二种合金的基线参数所提供的相对密度等于或显著高于采用增大能量输入时获得的结果。能谱分析（EDS）面扫和点分析表明，过渡区（10–90%宽度≈250–320 μm）是通过共同熔池内熔体的相互混合而形成的；在900 °C退火1 h后，由于互扩散作用界面变得模糊，显微组织演变为均匀的片层状（α+β）组织。在沉积态条件下，Ti10Ta2Nb2Zr/Ti15Ta接头表现出σUTS = 598 ± 9 MPa、δ = 14.2 ± 1.9%和E = 96 ± 3 GPa，断裂发生在Ti15Ta区域。涉及Ti13Nb13Zr5Cu的接头受该合金固有脆性的限制，而Ti15Ta/Ti13Nb13Zr5Cu组合的这一问题可通过退火消除。致密接头的弹性模量（94–101 GPa）仍远高于皮质骨，因此临床相关的刚度降低须通过多孔结构而非仅靠合金成分来实现。对单一合金的体外测试（成骨细胞和牙龈成纤维细胞，MTT法，n = 6，以及流式细胞术）显示，在膜完整性方面无细胞毒性效应；Ti10Ta2Nb2Zr上牙龈成纤维细胞的代谢活性仍低于70%水平，而在单一合金中，Ti13Nb13Zr5Cu上观察到最稳定的成骨细胞活性和最显著的成纤维细胞活性恢复。过渡区本身的生物学响应尚未评估。这些结果为功能梯度植入物的进一步开发提供了工艺和材料科学基础。

论文解读

一、研究背景与意义

在骨科植入物所用的金属生物材料中，钛合金因其高比强度、优异的体液耐腐蚀性和良好的生物相容性而始终是首选材料。其中Ti6Al4V合金仍是最广泛使用的材料，但其长期服役性能受到两大缺陷的限制。其一是合金弹性模量（约110–120 GPa）与骨组织（皮质骨为10–30 GPa）之间的不匹配，这种不匹配引发应力屏蔽效应：刚性植入物承担了大部分机械载荷，而周围骨骼卸载，导致骨吸收并最终引起无菌性松动——这是翻修手术的主要原因。其二是Ti6Al4V在降解过程中释放铝和钒离子，这些离子在体外已被证明对成骨细胞和成纤维细胞具有细胞毒性，而Ti6Al4V颗粒可在体内引起不良组织反应。这些局限性推动了不含毒性元素且具有更低弹性模量的新一代钛合金的开发。

降低弹性模量最有前景的途径是向钛中添加β稳定元素。体心立方（bcc）β相远不如密排六方（hcp）α相刚硬。无毒元素Ta、Nb和Zr使得设计弹性模量接近骨组织且保持足够强度的合金成为可能。此外，关节假体周围感染仍是严重的临床问题，其发生率在初次全髋关节置换后为0.5–2.3%，翻修术后升至5%，而感染翻修后的一年死亡率达4–8%。添加铜是一种有前景的降低感染风险的方法，铜通过释放破坏细菌膜的Cu²⁺离子以及形成产生微电偶的富铜金属间化合物（Ti₂Cu）两种机制赋予合金抗菌性能。

因此，假体股骨部件的材料必须满足单一合金无法同时满足的一系列要求：承载核心的高强度和疲劳抗力、与骨接触区域的低弹性模量以减少应力屏蔽、促进骨整合以及抗菌保护。功能梯度材料（FGMs）的概念为解决这一矛盾提供了方案：在单一部件内，成分和性能从一个功能区到另一个功能区发生变化。需要区分所涉及的两种设计工具：有效刚度的降低最有效地通过多孔（点阵）结构实现，可将几乎所有钛合金的表观模量降至骨水平；而合金成分则是提供生物功能的唯一工具——抗菌表面、促进骨整合的区域、韧性和抗疲劳核心——这些是单一合金无法兼具的。多材料设计因此不是单一合金多孔植入物的替代方案，而是其补充。

多材料激光粉末床熔融（MM-LPBF）是实现FGM植入物的技术平台。过渡区是关键区域：接头通过沉积新材料前几层时对先前凝固合金的部分重熔以及随后合金元素在共同熔池内的互扩散而形成。此前对钛合金多材料LPBF的研究主要集中在不适合该任务的体系上：Ti6Al4V/Ti5Al2.5Sn和Ti6Al4V/Ti6Al2Sn4Zr2Mo等化学成分相似的合金可获得无缺陷接头，但两种组元均具有高弹性模量，应力屏蔽问题未得到解决；钛合金与金属间化合物的接头则因金属间化合物侧的脆性而开裂。据研究人员所知，三种含β稳定元素的生物相容性钛合金——Ti15Ta、Ti10Ta2Nb2Zr和Ti13Nb13Zr5Cu——之间的多材料接头的制备和系统表征此前未见报道。

二、主要技术方法

研究人员使用广州赛隆增材制造有限公司提供的三种预合金粉末（Ti15Ta、Ti10Ta2Nb2Zr和Ti13Nb13Zr5Cu），均通过等离子旋转电极法（PREP）制备。所有成形在3DLam Mini LPBF设备（俄罗斯圣彼得堡3DLam公司）上进行，配备300 W掺镱光纤激光器，光斑直径70 μm，氩气保护下残余氧含量不超过100 ppm，层厚50 μm。材料沿构建方向（Z轴）通过手动更换粉末实现切换。过渡区定义为第二种合金的前五层（250 μm），采用三种工艺制度进行优化。退火在真空炉中进行，900 °C保温1 h后随炉冷却。表征方法包括：光学显微镜定量金相评估孔隙率、扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）进行微观组织和元素分布分析、维氏显微硬度测试、室温单轴拉伸试验，以及体外细胞实验（MTT法、流式细胞术和SEM形态观察）。

三、研究结果

3.1 过渡区工艺制度的优化

三种合金对在三种工艺制度下均获得了99.35–99.73%的相对密度，无宏观缺陷。单因素方差分析显示，对于Ti10Ta2Nb2Zr/Ti15Ta对（F(2,42) = 7.2，p = 0.002）和Ti13Nb13Zr5Cu/Ti10Ta2Nb2Zr对（F(2,42) = 5.0，p = 0.011），制度效应显著；Tukey检验表明基线制度1提供的相对密度显著高于降低扫描速度20%的制度3（分别为p = 0.002和p = 0.008）。增加能量输入并不改善过渡区相对密度，在两组对中反而略有但显著地降低（0.3–0.4%）。基线参数已提供足够的致密化质量，因此选择制度1用于后续力学测试。

3.2 过渡区的微观组织和元素分布

SEM观察显示界面无裂纹和未熔合缺陷，微裂纹仅局限于Ti13Nb13Zr5Cu合金本体内部，而非冶金接头区域，表明开裂源于该含铜合金的固有脆性——即（Ti,Zr）₂Cu析出相的存在——而非接头缺陷。EDS面扫和点分析表明，过渡区通过共同熔池内熔体的相互混合而形成，元素浓度单调变化，10–90%宽度约为250–320 μm（±160 μm）。退火后，由于900 °C下置换型β稳定元素在β钛中的扩散长度约为10–30 μm，低于160 μm测量步长的分辨率，界面在点分析尺度上未显示明显加宽，但局部浓度梯度和波纹状熔池几何形貌被平滑化。退火后所有三组对的过渡区均形成由先β晶粒内α板条束组成的片层状（α+β）组织，一种合金的微观组织连续过渡到另一种合金。

3.3 接头的力学性能

拉伸测试方面，沉积态Ti10Ta2Nb2Zr/Ti15Ta接头表现出σ_UTS = 598 ± 9 MPa、δ = 14.2 ± 1.9%、E = 96 ± 3 GPa，所有试样均在Ti15Ta区域断裂，表明冶金接头的强度超过两种被连接合金中较弱者。退火后该接头强度降至547 ± 6 MPa，伸长率和弹性模量不变。退火后的Ti15Ta/Ti13Nb13Zr5Cu接头表现出类似特性（σ_UTS = 551 ± 6 MPa、δ = 13.9 ± 0.1%、E = 94 ± 3 GPa），断裂同样发生在Ti15Ta区域。涉及Ti13Nb13Zr5Cu的接头在沉积态以及Ti13Nb13Zr5Cu/Ti10Ta2Nb2Zr对退火后均无法测试——试样在加工过程中即在该合金区域断裂。退火可将两个含铜接头之一转化为可承载接头，因此被视为强制步骤。所有接头的弹性模量（94–101 GPa）接近Ti6Al4V且远高于皮质骨，这是由合金的钼当量（Mo_eq ≈ 2.8–3.6）远低于保留β相所需值（≈10）所决定的，临床相关的刚度降低须通过多孔结构实现。

显微硬度方面，Ti10Ta2Nb2Zr/Ti15Ta接头在沉积态下硬度分布接近均匀（192 ± 5和202 ± 5 HV0.3），过渡平缓。涉及Ti13Nb13Zr5Cu的接头在含铜区域内硬度急剧升高至398–442 HV0.3，约为另两种合金的两倍，硬度台阶（约200–250 HV，跨度约0.5 mm）直接反映了梯度部件设计需要适应的力学失配。退火后含铜区域硬度显著降至277–283 HV0.3（p < 0.001），界面台阶明显变得平缓，这与（Ti,Zr）₂Cu相在900 °C（高于Ti–Cu共析温度约790 °C）下的部分溶解和粗化再析出以及残余应力松弛有关。

3.4 生物学响应评估

SEM形态观察显示，两种细胞类型在所有三种合金表面均能黏附，其中Ti13Nb13Zr5Cu上观察到最高的细胞密度和最佳的特征形态保持。MTT法结果显示，成骨细胞在三种合金上两个时间点的代谢活性均高于70%对照水平，但在Ti15Ta和Ti10Ta2Nb2Zr上从48 h到120 h显著下降，而在Ti13Nb13Zr5Cu上保持稳定。牙龈成纤维细胞在三种合金上活性均从48 h到120 h增加，但Ti10Ta2Nb2Zr上始终显著低于其他两种合金，120 h时Ti15Ta和Ti13Nb13Zr5Cu之间无显著差异。Ti10Ta2Nb2Zr上成纤维细胞活性持续低于70%水平表明其与软组织接触的适用性有限。流式细胞术（n = 1）显示两种细胞类型在三种合金上的活细胞比例均与对照相当，膜损伤比例不高于对照，表明MTT降低反映的是黏附和增殖受限而非细胞死亡。

四、讨论与结论

研究人员指出，过渡区本身的生物学响应尚未评估，这是将结果外推至梯度植入物设计时最重要的限制。过渡区内铜含量在约300 μm内从0变化到约5 wt.%，成分梯度原则上可在体液中充当微电偶。但三种合金均为钛基合金，自发钝化形成TiO₂基薄膜，且Ta、Nb、Zr形成改善钛钝化性的稳定氧化物；铜是三种合金元素中唯一已知超过阈值浓度具有细胞毒性潜力的元素。直接对抛光接头截面进行细胞培养、电化学测量和铜离子释放测试是必要的后续工作。此外，粉末和打印接头的氧、氮含量未测定，但多项间接证据表明手动换粉引入的间隙元素污染贡献较小。

研究结论为：（1）三种生物相容性低模量钛合金的多材料LPBF可形成无缺陷冶金接头，过渡区相对密度为99.35–99.73%，基线参数已足够，增加能量输入无益；（2）过渡区通过基体部分重熔和熔体对流混合形成，10–90%宽度约250–320 μm，900 °C退火1 h后因互扩散界面进一步模糊；（3）Ti10Ta2Nb2Zr/Ti15Ta接头沉积态σ_UTS = 598 ± 9 MPa、δ = 14.2 ± 1.9%，断裂发生在Ti15Ta区域，接头强度超过较弱合金；（4）涉及Ti13Nb13Zr5Cu的接头受该合金固有脆性限制，退火可恢复Ti15Ta/Ti13Nb13Zr5Cu组合的可加工性；（5）致密接头弹性模量（94–101 GPa）远高于皮质骨，临床相关刚度降低须通过多孔结构实现；（6）体外测试显示三种单一合金无膜完整性方面的细胞毒性，Ti13Nb13Zr5Cu表现出最有利的MTT响应谱。这些结果为功能梯度骨科植入物的进一步开发提供了工艺和材料科学基础。