鈦合金，特別是Ti-6Al-4V合金，因其高強度重量比、輕質、耐腐蝕和良好的生物相容性而廣泛應用于生物醫學植入領域。然而，Ti-6Al-4V合金因其較高的摩擦系數(COF)，低表面硬度和表面之間的高粘附接觸而表現出較差的摩擦學性能。納米厚的鈍化膜會因磨損而失效，從而使大塊金屬暴露于周圍生理流體環境中，釋放出具有細胞毒性的V元素。毒性元素引起的感染將使患者需要長期接受抗生素治療，甚至再次手術，從而限制了Ti-6Al-4V合金在承重條件下的應用。因此，進一步提高Ti-6Al-4V合金的耐磨性是十分必要的。

銅(Cu)對所有生物(人類、動物和微生物)的健康至關重要，是一種必需的微量元素。在人體中，Cu參與了器官正常運作和代謝過程，并刺激免疫系統對抗感染，促進愈合。此外，Cu長期以來被認為是一種有效的抗菌劑，對許多細菌具有廣泛的活性。20世紀90年代，Nisshin Steel有限公司首次開發出18Cr-9Ni-3.8Cu、17Cr-15Cu、0.3C-13Cr03Cu等NSSAM系列含銅抗菌不銹鋼，廣泛應用于骨科、牙科、介入支架等領域。不難看出，到目前為止，Cu元素仍然是研究人員開發新型生物醫學材料的最愛。但也很容易看出，它更廣泛地用于提高醫用材料的抗菌性能。例如，在Ti牙科假體中，最初使用Cu來降低熔合溫度，提高其可加工性。Cu在Ti基合金中也是一種典型的共析元素，在792 ℃時通過β→α+Ti₂Cu相變形成共析組織。Ohkubo等發現，添加Cu可以提高鑄態純Ti和Ti-6Al-4V合金的耐磨性，這是由于它們的顯微組織中含有共析物(α-Ti/Ti₂Cu)。然而，盡管Ti-6Al-4V合金的耐磨性隨著Cu含量的增加而提高，但當Cu含量超過~ 2.0 wt.%時，其耐蝕性明顯惡化，這主要是由于層狀Ti₂Cu與α/β相之間的電偶腐蝕。因此，獲得具有優異耐磨損/耐腐蝕性能和較好的抗菌活性的高Cu Ti-6Al-4V合金具有重要意義。最近，Peng等人通過退火處理，調整α、β和Ti₂Cu相的體積分數，將具有較好耐磨性和耐腐蝕性的Ti-6Al-4V-Cu合金的Cu含量提高到4.5 wt.%。Ti₂Cu相的形狀和尺寸也對性能有顯著影響，細小的Ti₂Cu具有優異的耐蝕性、較強的強化效率和抗菌能力。然而，高Cu含量(? ~5 wt.%) Ti-6Al-4V的耐磨性、耐腐蝕性與生物相容性之間的不可調和的沖突仍然是生物醫學工程中的一個難題，這高度依賴于Ti-6Al-4V的相結構和分布。

除了合金的固有特性外，加工工藝和相關參數也會顯著影響合金的顯微組織和相關性能。本文采用的激光粉末床熔融(統一標記為L-PBF)具有生產率高、節省材料、凝固快、稀釋低、熱影響區窄、冶金結合強度高、自由度高等優點。L-PBF工藝是一種非常理想的增材制造技術，可以直接從CAD實體模型中制造金屬部件，而無需模具和工具。與傳統鑄造工藝不同，L-PBF工藝具有極高的冷卻速率和逐層沉積的特點，可以改變組織形態和析出相尺寸。然而，關于L-PBF Ti-6Al-4V-xCu合金的摩擦腐蝕、在模擬體液(SBF)溶液中的耐腐蝕性和生物活性的系統研究仍然有限。此外，由于在磨損痕的橫截面上收集實驗尺度的觀察(微觀到原子)的困難，潛在的摩擦腐蝕機制直到現在還沒有被探索。

基于此難題，香港城市大學材料科學與工程學院楊濤教授聯合上海交通大學材料科學與工程學院王俊教授和孫寶德教授團隊等用L-PBF技術精心設計了一系列新型Ti-6Al-4V-xCu (wt.%)合金。系統研究了L-PBF Ti-6Al-4V-xCu合金的微觀組織演變、在SBF溶液中的腐蝕和生物摩擦學行為以及體外生物相容性。使用微納尺度先進表征技術對L-PBFTi-6Al-4V-xCu在生物摩擦學測試后磨痕截面顯微組織進行了基礎研究。本研究中細致的微納米尺度觀察闡明了Cu含量對微觀結構演變、腐蝕和生物摩擦學行為的影響。本研究填補了L-PBF Ti-6Al-4V-xCu合金在微納米尺度上生物摩擦學行為的知識空白，為未來設計新型綜合性能優異的多功能鈦基合金作為臨床應用的植入材料提供方向。相關成果以“Remarkable bioactivity, bio-tribological, antibacterial, and anti-corrosion properties in a Ti-6Al-4V-xCu alloy by laser powder bed fusion for superior biomedical implant applications”為題，于2023年09月01日發表在國際頂尖期刊《Chemical Engineering Journal》上。論文第一作者為鞠江博士，通訊作者為香港城市大學楊濤教授、上海交通大學王俊教授和上海應用技術大學王宸宸博士。合作者包括上海交通大學孫寶德教授、沈朝副教授、彭朋博士，香港城市大學博后肖博、李倩、劉少飛，復旦大學附屬中山醫院博后昝瑞。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144656

圖1 L-PBF Ti-6Al-4V-xCu合金的顯微組織

圖2 L-PBF Ti-6Al-4V-xCu合金的物相結構的原子尺度表征

圖3 L-PBF Ti-6Al-4V-xCu合金體外生物相容性

圖4電化學行為

圖5生物摩擦行為

圖6 Ti-6Al-4V合金磨痕截面TEM分析

圖7 Ti-6Al-4V合金磨痕截面同軸TKD分析

圖8 L-PBF Ti-6Al-4V-xCu合金磨痕截面同軸TKD分析

圖9 L-PBF Ti-6Al-4V-xCu合金磨痕截面TEM分析

本研究利用激光粉末床熔合(L-PBF)技術制備了一系列新型Ti-6Al-4V-xCu (x= 3, 5, 8, 10 wt.%)合金，以獲得優異的生物摩擦學、耐腐蝕性、抗菌性能和生物活性的良好組合。結果表明，Ti-6Al-4V-3Cu和-5Cu合金的顯微組織由富α′和富Cu的β相組成，而Cu含量在8 wt. %以上的合金則出現富α′+富Cu的β+納米Ti₂Cu顯微組織。隨著Cu含量的增加，L-PBF Ti-6Al-4V-xCu合金的顯微硬度、生物摩擦學性能和耐蝕性均有顯著提高，其中L-PBF Ti-6Al-4V-10Cu合金的顯微硬度達到596.8 HV，主要表現為固溶、晶粒細化和析出強化;腐蝕密度比Ti-6Al-4V合金低2個數量級，磨損率比Ti-6Al-4V合金低1個數量級，具有最佳的腐蝕性能和生物摩擦學性。新開發的Ti-6Al-4V-xCu合金具有非細胞毒性和優異的抗菌性能，是一種有前途的生物醫學植入物候選材料。