生物医用多孔钛合金在模拟体液中的腐蚀机制研究及其腐蚀寿命预测

Porous titanium alloys possess Young's modulus completely compatible with human bones as well as an excellent osseointegration, which offers a great potential for their applications as medical implants. Due to bio-safety concerns, corrosion mechanisms and corrosion life prediction of these porous alloys serving in physiological environments are crucially important for their long-term applications in the human body, but remain poorly understood to date. In this proposal, Ti-6Al-4V alloys that have been widely used as medical implants will be used to fabricate porous materials by the Electron Beam Melting (EBM) technique. The corrosion performance of these porous Ti-6Al-4V alloys in simulated physiological environments will be achieved by a specially assembled simulator, and the underlying corrosion mechanisms including the effects of pore characteristics on corrosion will be investigated using the electrochemical methods. A new model for predicting corrosion life of porous Ti-6Al-4V alloys in simulated physiological environments will also be established. The results from this project will not only lay down a theoretical basis for evaluating and forecasting the corrosion performance of porous Ti-6Al-4V alloys, but also shed light on their optimum design and further medical applications in future.

多孔钛合金因具有与人体骨骼完全匹配的弹性模量和优异的骨整合性而在医疗领域备受关注，为保证多孔钛合金在人体内长期安全可靠使用，对其在模拟体液环境中的腐蚀机制研究及腐蚀寿命预测至关重要。本项目以目前医疗领域应用最广的Ti-6Al-4V合金为研究对象，拟通过电子束熔化成形（EBM）技术制备多孔Ti-6Al-4V材料，设计特殊的孔隙内腐蚀环境模拟装置，采用电化学方法研究模拟体液环境中孔隙内多孔Ti-6Al-4V合金的腐蚀机制，建立多孔Ti-6Al-4V合金在模拟体液环境中的腐蚀寿命预测模型，揭示孔隙特征对多孔材料腐蚀行为的影响机制。本项目的完成不仅可以为医用金属多孔材料的耐蚀性能研究提供指导，还可以为多孔钛合金的优化设计和在生物医学领域实际应用提供理论基础。

与致密块体钛及钛合金材料相比，多孔钛合金具有与人体骨骼完全匹配的弹性模量和优异的骨整合性能，近年来在矫形外科、骨骼置换和关节修复等医疗领域获得广泛关注。作为增材制备技术的代表，电子束熔化金属快速成型技术（EBM）集成了计算机设计、数控、高能电子束和新材料等技术优势，已成为近20年来钛合金多孔材料的精确可控制备技术手段。为保证多孔钛合金在人体内长期安全可靠使用，对其在模拟体液环境中的腐蚀机制研究及腐蚀寿命预测至关重要。本项目以临床应用最广的Ti-6Al-4V合金为研究对象，通过EBM技术制备多孔Ti-6Al-4V材料，采用电化学方法研究模拟体液环境中EBM工艺制备的Ti-6Al-4V合金材料及其表面钝化膜的电化学腐蚀行为，同时，设计特殊的孔隙内腐蚀环境模拟装置，通过微电极技术实现孔隙内电位、电化学噪声及H+、Cl-等离子浓度的实时监测，从而深入研究多孔Ti-6Al-4V合金孔隙内的电化学腐蚀行为，建立多孔Ti-6Al-4V合金在模拟体液环境中的腐蚀寿命预测模型，揭示孔隙特征对多孔材料腐蚀行为的影响机制。结果表明，EBM工艺制备的Ti-6Al-4V合金具有更为细小的α/β相片层组织及更多体积分数的β相，从而抑制了由于相成分差异所引起的电偶腐蚀，提高了其在腐蚀介质中的耐性性能；由EBM工艺制备的Ti-6Al-4V合金在PBS形成的钝化膜主要成分为TiO2和Al2O3，同时含有少量的TiOx 和AlOy (0≤ x≤ 2, 0≤ y≤ 1.5)等中间价态氧化物，厚度约为6nm，且膜内的TiO2含量高于锻态材料，该钝化膜为典型的 n-型半导体，其扩散通量低于锻态材料，因此，可得到EBM工艺制备的Ti-6Al-4V合金表面形成一个更薄、更致密、缺陷密度更小且缺陷扩散更为困难的钝化膜这一结论；另外，随着孔隙深度增加， H+、Cl-等离子浓度均升高，钝化膜中氧含量降低，载流子密度增加，使得钝化膜稳定性降低，而电压随孔深变化不显著，因此可以认为敏感离子浓度升高是诱发多孔Ti-6Al-4V材料孔隙内腐蚀的主要因素。本项目的完成不仅可以为医用金属多孔材料的耐蚀性能研究提供指导，还可以为多孔钛合金的优化设计和在生物医学领域实际应用提供理论基础。