通过表面纳米结晶和酸蚀处理，显著提升了微纳米层次结构Ti-Cu合金的机械性能、耐腐蚀性和抗菌性能

铜基抗菌钛合金表面改性研究。通过表面机械滚压处理（SMRT）和酸蚀处理（AE）协同改性微合金化Ti-1wt%Cu合金，构建纳米晶梯度结构并形成Cu?O，显著提升腐蚀抗力（增强32.5%）和抗菌性（>95%对S.aureus和E.coli），同时促进成骨细胞分化（ALP活性提高18.7%），实现生物安全与功能性的平衡优化。

　　

陈冕|张玉杰|刘伟|邱静|张尔琳|胡健

中国华东交通大学材料科学与工程学院智能生物材料调控与适应性南昌重点实验室，南昌，330013

摘要

含铜的抗菌钛合金在骨科植入物领域成为研究热点，并展现出广阔的应用前景。然而，其抗菌性能与铜含量密切相关，但过高的铜含量可能会引发细胞毒性并损害机械性能。为了解决这一问题，对Ti-1wt% Cu合金进行了表面机械轧制处理（SMRT）和酸蚀刻（AE）改性，以协同提升其耐腐蚀性、抗菌性和生物相容性。所得的GNS Ti-1Cu-AE合金具有典型的微纳米层次结构，包括一层纳米晶层（约98纳米），表面分布着均匀的亚微米级蚀刻坑，并形成了TiO₂和Cu₂O相。电化学测试表明，SMRT处理显著增强了合金的耐腐蚀性。抗菌测试显示，GNS Ti-1Cu-AE对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率超过95%，这主要归因于持续释放的Cu²⁺的协同效应以及Cu₂O的接触性抗菌作用。体外细胞实验表明，GNS Ti-1Cu-AE促进了成骨细胞的早期分化活性，表现为碱性磷酸酶活性的增加。本研究为开发兼具生物安全性和功能性能的骨科植入材料提供了新的见解。

引言

生物医学植入物通常由钛（Ti）及其合金制成，这些材料具有优异的生物相容性、耐腐蚀性和机械性能。然而，钛本身缺乏抗菌性能，病原菌如金黄色葡萄球菌和大肠杆菌容易在钛表面定植，从而导致术后并发症甚至植入物失败[1,2]。据报道，全髋关节置换术后10年内的失败率可达12.90%，预计到2030年手术数量将增加174%[3,4]。治疗过程可能给患者带来身心创伤，并增加家庭和社会医疗资源的消耗，从而带来多方面的健康和经济负担。为解决这一问题，一种策略是在钛合金中添加抗菌金属成分，以降低术后感染发生率并提高手术成功率[5]。

近年来，由于铜具有广谱抗菌特性[6]，其在生物医学金属改性研究中成为研究热点[[7], [8], [9]]。作为热门课题[7], [8], [9]，抗菌Ti-Cu合金一直是研究的重点，探讨铜含量对其抗菌性能的影响。例如，刘等人发现Ti-Cu合金中铜含量至少需要达到5 wt%才能实现对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌超过90%的抗菌率[10]。张等人也报告称，只有当铜含量至少为3 wt%并经过复杂的热处理后，Ti-Cu合金才能杀死99%的金黄色葡萄球菌。人们普遍认为，Ti-Cu合金的抗菌效果随铜含量的增加而增强。然而，过量的铜容易引起细胞毒性[11]。例如，含2 wt%铜的Ti-Cu合金对成纤维细胞具有细胞毒性，从而阻碍细胞增殖和分化[12]。此外，由于铜是钛合金的β相稳定剂，少量铜的添加可以增强材料的机械性能。但过量的铜会导致脆性Ti₂Cu相的大量析出，从而显著降低材料的延展性[13,14]。研究表明，Ti-x wt%Cu合金（x= 2, 5, 10, 25）的延展性和机械性能随铜含量的增加而逐渐下降[13,14]。此外，过量的铜还会促进晶界处的位错集中，加速沿晶界的局部腐蚀，并加剧钛基体与大量Ti₂Cu相之间的电偶腐蚀，从而降低合金的耐腐蚀性[13]。例如，当铜含量超过3%时，由于Ti₂Cu相的形成增加，基体的耐腐蚀性严重下降[15]。因此，制造兼具良好机械性能、耐腐蚀性和抗菌性的Ti-Cu合金仍面临挑战。由于细菌总是附着在材料表面，开发具有优化综合性能的Ti-Cu合金的主要目标是在保持机械和耐腐蚀性的同时，通过表面改性提高抗菌性和生物相容性。

近年来，表面纳米结晶技术（如表面机械轧制处理（SMRT）已成为提升材料性能的重要方法。该方法通过在材料表面引入梯度纳米结构（GNS）来改善性能，其原理是利用严重的塑性变形引入大量错位或孪晶，从而细化晶粒尺寸，形成从表面到内部的梯度应力，最终形成GNS层。GNS层有效抑制了应变局部化，赋予材料优异的机械性能[16]。例如，GNS AISI 316L不锈钢的屈服强度达到370 MPa，伸长率保持52%，比粗晶态提高了56%[17]。另一项研究中，黄等人[18]在Ti-25Nb-3Mo-3Zr-2Sn合金中形成了GNS层，由β相和高密度位错组成，有效提高了合金的耐腐蚀性。此外，表面纳米结晶还可以通过促进铜离子的释放来改善Ti-Cu合金的抗菌性能。然而，先前的研究发现GNS层的改善效果有限，仍需在钛中添加至少3 wt%的铜才能实现超过90%的抗菌率，且对细胞相容性的提升效果不佳[19]。因此，从综合性能的角度来看，需要结合SMRT的复合表面改性策略来同时提高微合金Ti-Cu合金的表面抗菌性和生物活性。

作为一种低成本的表面改性方法，使用HNO?/HF混合酸体系的酸蚀刻（AE）可以去除合金表面的氧化层，并在合金表面富集金属元素，形成粗糙结构。与传统的抗菌涂层或离子植入技术[20,21]相比，AE避免了由于异质界面结合力弱而导致的涂层脱落风险。AE能够在保持少量金属离子的同时维持长期的抗菌性能[22]。研究表明，AE处理后Ti-Ag合金的抗菌能力得到了提升[23]。此外，AE处理还显著提高了3D打印Ti合金的生物相容性，使其表面具有平均约10纳米的独特微观粗糙度和纳米结构[24]。AE处理通过增加比表面积、提高润湿性和降低水接触角来改善蛋白质吸附，从而为细胞创造更适宜的界面微环境。这种表面改性促进了多种成骨相关细胞（如骨髓间充质干细胞（BMSCs）和成骨细胞MC3T3-E1细胞）的附着和代谢活性[25], [26], [27]]。因此，结合GNS和AE的策略应是创建兼具微纳米层次结构、同时提升表面抗菌性和生物活性的可行方法，同时保持Ti-Cu合金的机械性能和耐腐蚀性。

基于以上考虑，本研究旨在通过结合SMRT和AE制备具有良好机械性能、耐腐蚀性、抗菌性和生物活性的优化微合金Ti-1 wt%Cu。SMRT技术确保了材料的综合机械性能和耐腐蚀性，而AE则保证了其抗菌性能和生物活性。抗菌性能通过金黄色葡萄球菌和大肠杆菌进行评估，同时探讨了抗菌性能与铜离子释放之间的关系。本研究可能为开发新型抗菌Ti-Cu合金提供一定的指导意义。

实验部分

GNS Ti-1Cu-Ae合金的制备

采用高真空非自耗电弧炉（BJ5，美国Thermal Technology公司）熔化Ti-Cu合金，原料为Ti棒（99.99%，Wenglihe公司）和Cu片（99.99%，Wenglihe公司），合金中的铜含量为1 wt%，并将铸锭倒置至少10次以确保成分均匀（命名为Ti-1Cu）。首先将Ti-1Cu合金铸锭加工成直径20毫米、厚度约2毫米的圆柱形试样

表面表征

图1展示了GNS Ti-1Cu-Ae的制备过程，首先对初始Ti-1Cu合金进行SMRT处理形成GNS Ti-1Cu，随后进行AE处理得到最终的GNS Ti-1Cu-Ae样品。当前研究表明，Ti-Cu合金通常需要至少3 wt%的铜含量才能实现超过99%的抗菌率，但这会牺牲一定的机械和耐腐蚀性能[10],[28],[29],[30],[31],[32],[33],[34]。因此，本研究充分挖掘了这一潜力

讨论

现代骨科植入物材料的研究趋势是开发兼具抗菌性和生物相容性的材料，以控制细菌定植源、减少植入物排斥反应并增强成骨活性[35]。人们普遍认为，Ti-Cu合金的抗菌效果与铜含量正相关[30]。然而，过量的铜不仅会引起细胞毒性，还会促进脆性Ti₂Cu相的形成，损害材料的机械性能

结论

• (1)
  通过SMRT和AE的联合工艺，在Ti-1Cu合金表面成功构建了微纳米层次结构。该结构包括一层纳米晶层，最外层晶粒尺寸约为98纳米，以及均匀分布的亚微米级蚀刻坑，同时有效暴露了富铜相和Cu₂O相。
• (2)
  SMRT通过表面晶粒细化显著提高了材料的截面硬度、抗拉强度和耐磨性。

CRediT作者贡献声明

陈冕：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，监督，软件使用，方法学设计，实验设计，资金获取，概念构思。张玉杰：撰写 – 原稿，验证，软件使用，方法学设计，实验设计，数据分析。刘伟：数据可视化，软件使用，实验设计。邱静：数据可视化，实验设计。张尔琳：监督，项目管理。胡健：撰写 – 审稿与编辑，监督，软件使用，资源协调，项目管理

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号52361042、52001122和52565036）、江西省自然科学基金（编号20224BAB214014、20232BAB204007和20242BAB26052）的财政支持。