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影響因子2.744：大塑性變形改善純鈦的耐腐蝕和生物相容性！

2022-10-26 14:51:17 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

鈦由于具有良好的化學和生物相容性，在生物醫學植入物中廣泛應用。然而，純鈦的機械性能低于鈦合金，而鈦合金又通常含有細胞毒性元素。劇烈塑性變形（SPD）技術能夠顯著提高強度，改善腐蝕行為，并減少合金元素的使用。

在本研究中，來自塞姆南大學的Ehsan Borhani團隊采用等通道擠壓（ECAP）工藝對商用純鈦分別進行兩道次和四道次的方形截面變形，從而獲得更細的晶粒尺寸和更均勻的微觀結構。為了改善細胞行為，對所有鈦樣品進行蝕刻處理以產生納米粗糙和納米紋理表面。還研究了表面蝕刻對ECAP和未處理樣品的腐蝕、表面粗糙度和細胞行為的影響。此外，研究了顆粒結構對接觸角、電化學腐蝕行為、成骨細胞反應和細胞活力的影響。經四次ECAP處理的鈦，獲得了比未處理樣品（25?μm）更細的晶粒（200?nm）。動電位極化試驗表明，ECAP制備的樣品耐蝕性增強，這與晶粒細化影響鈍化膜的形成有關。每次ECAP通過后，耐蝕性和潤濕性都明顯增加。總之，晶粒尺寸和表面粗糙度的改善是由于ECAP和蝕刻處理的協同作用，從而影響了成骨細胞反應和樣品的細胞活性。

相關成果以題為Commercially pure titanium modification to enhance corrosion behavior and osteoblast response by ECAP for biomedical applications發表在Journal of Applied Biomaterials & Functional Materials期刊上。點擊本文底部閱讀原文，或者掃描下方二維碼可以直接免費閱讀下載。

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鈦因其特性（包括惰性和生物相容性）被廣泛用于生物醫學產品中。與鈦合金相比，在工業和醫療領域廣泛使用商業純鈦的一個缺點是其機械強度相對較低，尤其是疲勞強度。然而，以Ti-6Al-4V為例，添加的鋁和釩離子可能會對有機環境造成毒性。引入劇烈塑性變形（SPD）技術可以生產納米結構鈦作為一個很好的候選材料，以克服這些問題。通過使用這種方法形成納米結構，鈦的機械特性（如強度和抗疲勞性）可以比Ti-6Al-4V的機械特性提高得更多。此外，由于非晶氧化鈦層覆蓋了納米結構鈦的表面，其生物相容性和耐腐蝕性也可以提高。

可提供具有高角度晶界的均勻超細晶粒（UFG）鈦的SPD方法之一是等通道角擠壓（ECAP），這引起了極大的關注。UFG生產的固體具有相對均勻的結構，平均晶體尺寸小于?1.?μm。增加ECAP道次會影響鈦的晶粒尺寸，并使其減小。超細晶體（<50?nm）（使用ECAP方法）改善了Ti的物理和生物行為。通過ECAP制備的超細顆粒鈦在模擬體液中表現出顯著的腐蝕行為改善。此外，每次ECAP通過后，雜質含量變得更加分散，導致耐腐蝕性提高。

本文研究了ECAP工藝制備具有不同晶粒尺寸和紋理的商用純鈦的能力，并針對ECAP處理和未處理樣品研究了蝕刻溶液對這些參數的影響。此外，還研究了表面形貌和粒度等表面特征對成骨細胞腐蝕行為和存活能力的影響。

圖1.（a）使用開口溝道模具對商用Ti（2級）進行SPD處理的ECAP工具。微觀結構OM：（b）ECAP之前，（c）ECAP之后，以及（d）ECAP和蝕刻處理之后。

圖2：初始樣品（a和d）、（b和e）P2、（c和f）P4樣品的顯微結構OM（左）和SEM（右）圖像顯示了ECAP工藝前后所有樣品的均質等軸顯微結構。

圖4. AFM-3D圖：（a）初始樣品、（b）P2和（c）P4樣品。ECAP工藝導致Ti表面粗糙度增加。

圖5：通過Sessile Drop法測定的（a）初始樣品、（b）P2和（c）P4樣品的潤濕性。

圖6. 在模擬生物流體溶液中浸泡2小時的初始樣品、P2和P4樣品的極化曲線。

圖6. 3天后Saos-2成骨細胞附著、生長和擴散的SEM圖像（a）初始樣品，（b）P2和（c）P4表面。

總的來說，這項工作對商用鈦進行ECAP分別加工了兩道次和四道次，顯微結構觀察證明，四次ECAP樣品粒度為200?nm，比初始樣品更細。ECAP工藝不影響晶體組成；根據XRD結果，它可以形成新的細晶界。應用ECAP工藝后，獲得了更好的親水性和潤濕性，并伴隨著更低的接觸角，這與獲得的更細晶粒有關。ECAP樣品的極化曲線中的Icorr值較低，這表明表面鈍化更快導致了更高的耐蝕性。ECAP工藝和蝕刻處理改善了細胞相容性。

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