梯度纳米结构Ti-13Nb-13Zr合金的低温渗铜机理及渗铜层性能

Titanium alloys are becoming the preferred materials for human hard tissue substitutes and restorations owing to their good mechanical properties, corrosion resistance and biocompatibility. However, as a sort of bio-inert materials, titanium alloys are easy to cause bacterial infection and induce inflammatory reaction when implanted into the human body. In view of the above infection problem, it is the main research goal of this project to endow titanium alloys with strong, broad-spectrum, and persistent antibacterial function as well as good biocompatibility under the premise of ensuring its mechanical properties and corrosion resistance. .Based on the strong antibacterial ability of copper and high atomic diffusivity in nanostructures, the project intends to combine surface nanocrystallization with copper-infiltration to prepare the Cu-infiltrated gradient nanostructure on the surface of Ti-13Nb-13Zr alloy. Mechanisms of grain refinement, lower-temperature copper-infiltration and Cu2+ dissolution will be studied. Also, the influence of the composition and microstructure of the copperized layer on the antibacterial properties, wear resistance and biocompatibility as well as the mechanisms of action will be revealed, providing the theoretical basis and technical support for the development of the biomedical metallic materials with excellent comprehensive performance.

钛合金凭借良好的综合力学性能、抗腐蚀性和生物相容性等特性正逐渐成为人体硬组织替代物和修复物的首选材料。然而钛合金属于生物惰性材料，植入人体后容易引发细菌感染，诱发炎症反应。针对上述感染问题，在保证其力学性能和耐腐蚀性的前提下，使得医用钛合金具有强效、广谱和持续的抗菌功能，并具有可靠的生物安全性，是本项目的主要研究目标。基于铜元素强烈的抗菌能力以及纳米结构中高的原子扩散速率的特性，本项目拟将表面纳米化和表面渗铜处理技术相结合，在Ti-13Nb-13Zr合金表面制备出表面渗铜梯度纳米结构并研究其晶粒细化机制、低温渗铜机理以及铜离子溶出机制，揭示渗铜层的成分和微观组织结构对抗菌性能、耐磨性及生物相容性的影响规律及作用机理，为开发综合性能优异的生物医用金属材料提供理论依据及技术支撑。

本项目团队利用铜/银元素高抗菌活性及纳米结构高耐磨、高原子扩散速率的特性，将表面纳米化和表面扩渗处理技术相结合，制备出生物适配性优异（高耐磨、高耐蚀、高抗菌活性）的表面渗铜/银梯度纳米结构钛合金。.1、利用表面超声滚压处理技术在粗晶Ti表面制备出梯度纳米结构（GNS）层，其最表层为纳米晶层，次表层为具有小角晶界的纳米层片结构层，晶粒细化机制主要是位错运动和孪生。GNS Ti的表面硬度值提高了161%，且硬度值随深度增加而减小，呈梯度分布。GNS Ti表现出较好的热稳定性，在450 °C以下退火没有出现明显的晶粒长大现象。GNS Ti/Cu的耐磨性及耐蚀性均显著优于CG Ti，且GNS Ti/Cu较快的铜离子释放速率使其对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率均高达99%以上。此外，GNS Ti/Cu能够显著促进细胞的黏附、铺展和增殖，表现出优异的细胞相容性。.2、GNS Ti6Al4V表面硬度提高了30%，变形层厚度约150 μm。GNS Ti6Al4V在500℃以下温度退火后硬度没有出现明显下降，表现出良好的热稳定性。相比于CG Ti6Al4V，GNS Ag/Ti6Al4V的表面硬度值提高21%，平均磨损率下降23%；腐蚀电位正移0.12 V，腐蚀电流密度下降30%；此外，GNS Ag/Ti6Al4V合金对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率均达到95%以上，且没有细胞毒性。.3、GNS Ti13Nb13Zr的表面硬度值提高了38%，且在退火过程中出现明显的退火硬化现象，800℃退火后硬度值仍没有显著下降，表现出优异的热稳定性。相比于CG Ti13Nb13Zr，GNS Cu/Ti13Nb13Zr的硬度值提高了67%，在模拟体液中的平均磨损率下降了两个数量级；腐蚀电位正移0.07 V，腐蚀电流密度下降34%；此外，GNS Cu/Ti13Nb13Zr合金对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率均达到99%以上，表现出优异的抗菌活性。.本项目将表面纳米化技术与沉积-扩散法相结合，既能有效保证钛植入材料 的综合力学性能（高强、高耐磨），又赋予其优异的抗菌活性及生物相容性，为发展结构-功能一体化的新型医用金属材料提供了思路。