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鈦合金因其優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、材料穩(wěn)定性以及與生物體更好的相容性而被廣泛應(yīng)用于人工骨植入物和齒科植入體的研究。然而，植入體引起的一系列過敏和局部組織感染會產(chǎn)生相關(guān)并發(fā)癥，如植入體不匹配炎癥等，導(dǎo)致植入物被移除?？咕锊牧?，如銅、銀、鋅合金，旨在改善或完全克服這些困難?？咕碇饕且?yàn)檫@些合金在活體中緩慢釋放銅或銀離子。這些游離金屬離子具有很好的殺菌作用。Cu離子的釋放速率與銅在Ti-Cu合金中的狀態(tài)和形態(tài)有關(guān)，如固溶體或金屬間化合物。Ti2Cu金屬間化合物表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗菌性能和第二相強(qiáng)化，但Cu作為固溶體Cu并沒有有效地發(fā)揮更好的抗菌能力。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌與Ti2Cu需要保持一定的接觸面積才能使細(xì)菌被消滅，而Ti-Cu合金本身的抗菌能力與Ti2Cu的表面積直接相關(guān)。

來自長安大學(xué)陳永楠教授團(tuán)隊(duì)與西安理工大學(xué)湯玉斐教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合設(shè)計(jì)不同Ti2Cu相形貌的Ti-Cu合金并將多種因素控制到最佳水平，獲得較好的Ti2Cu相形態(tài)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。相關(guān)論文以題為“Biological corrosion behaviour and antibacterial properties of Ti-Cu alloy with different Ti2Cu morphologies for dental applications”發(fā)表在Materials & Design。

論文第一作者為長安大學(xué)碩士研究生辛程，通訊作者為長安大學(xué)陳永楠教授和趙秦陽博士及西安理工大學(xué)湯玉斐教授，合作者還包括西北有色金屬研究院的趙永慶教授和國家地方生物鈦合金聯(lián)合工程中心楊曉康教授等。

本工作系統(tǒng)研究了Ti2Cu形貌對Ti-Cu合金生物腐蝕和抗菌性能的影響。Ti-Cu合金的腐蝕速率受Ti2Cu相形貌影響較大，片層狀Ti2Cu相合金的腐蝕速率是顆粒狀Ti2Cu相合金的2倍。Ti2Cu在微電偶腐蝕過程中作為陽極相優(yōu)先釋放Cu離子以在生物腐蝕中引發(fā)抗菌性能。由片狀Ti2Cu相和α基體組成的微原電池具有更快的Cu離子釋放速率和抗菌速率。對于Ti-Cu齒科植入體，片層狀Ti2Cu相具有更多的抗菌優(yōu)勢，具有更高的應(yīng)用價(jià)值。

圖 1 植入裝置：(a) Ti-Cu牙釘，(b) 不同 Ti-Cu 合金的 XRD 圖譜，不同 Ti2Cu 形貌的Ti-Cu合金：(c-d) G-Ti2Cu, (e-f) L-Ti2Cu 和(g-h) GL-Ti2Cu。

圖 2 不同形貌Ti2Cu的Ti-Cu合金的SKP電位圖像和等值線圖（紅色區(qū)域?yàn)榫哂蟹仉娢恢档腡i基體，藍(lán)色顆粒為具有低伏特電位值的Ti2Cu金屬間化合物）：（a, d）G -Ti2Cu, (b, e) L-Ti2Cu, (c,f) GL-Ti2Cu, Ti-Cu 合金的腐蝕形態(tài)：(g) G-Ti2Cu, (h) L-Ti2Cu和(i) GL-Ti2Cu。

圖 3 不同 Ti-Cu 合金上的典型金黃色葡萄球菌菌落和合金在共培養(yǎng) 6、12 和 24 小時(shí)后對金黃色葡萄球菌的抗菌率：（a）G-Ti2Cu，（b）L-Ti2Cu，（c） GL-Ti2Cu 和 (d) 不同 Ti-Cu 合金的抗菌率。

圖 4 Ti-Cu 合金在抗菌過程中微電偶腐蝕引起的Cu離子釋放示意圖：(a) G-Ti2Cu 和 (b) L-Ti2Cu。

在本研究中，Cu離子的釋放源于Ti2Cu相的腐蝕，Ti-Cu合金的腐蝕行為取決于Ti2Cu的形貌和分布。不同的顯微組織影響合金的腐蝕形貌。由于兩種金屬的主基團(tuán)不同，會產(chǎn)生電位差，Ti和Cu可以進(jìn)行電子移動和電荷轉(zhuǎn)移。沿α-Ti/Ti2Cu相界面Ti2Cu與α-Ti相之間發(fā)生電偶腐蝕，在Ti2Cu側(cè)處腐蝕更為嚴(yán)重。因此，反應(yīng)環(huán)境中不同相引起的微電偶腐蝕是研究Ti-Cu合金抗菌性的關(guān)鍵因素。通過改變Ti2Cu相的形貌，揭示了顆粒狀和片狀Ti2Cu對抗菌過程的生物腐蝕機(jī)理。由于不同的伏打電位，在片層狀Ti2Cu相和α-Ti基質(zhì)之間形成了細(xì)長的“微電偶”。片層Ti2Cu合金的Cu2+離子釋放量比顆粒狀Ti2Cu合金高55%，并達(dá)到99.5%的抑菌率，為齒科植入體的臨床應(yīng)用提供了更多的理論依據(jù)。