Сравнительное исследование коррозионной стойкости Ti-6Al-4V, изготовленного методом экструдирования материала, и другими технологиями аддитивного производства

Почему имеют значение титановые имплантаты, напечатанные на 3D-принтере

Многие современные тазобедренные протезы, пластинки для костей и стоматологические винты изготавливают из титанового сплава Ti-6Al-4V. Этот металл прочен, лёгок и обычно хорошо сопротивляется «ржавлению» в организме. Новые методы 3D-печати обещают более дешёвые и индивидуализированные имплантаты, но они также изменяют микроструктуру и пористость металла. В этом исследовании задают простой вопрос с большими медицинскими последствиями: делают ли разные способы 3D-печати этот проверенный сплав более склонным к коррозии и выделению металла в организм?

Разные способы печати одного и того же металла

Исследователи сравнили три современных метода 3D-печати и традиционно кованную версию Ti-6Al-4V. Два метода — электронно-лучевое плавление (EBM) и лазерное плавление в порошковой постели (LPBF) — используют интенсивные пучки для плавления слоёв рыхлого порошка в плотные детали. Новый маршрут экструдирования материала (MEX) вместо этого печатает нить из пластика, наполненного металлом, формирует деталь, удаляет пластик и затем спекает упакованный металлический порошок в сплошной материал. Хотя все четыре маршрута стартуют из одного и того же рецепта титана, алюминия и ванадия, они оставляют очень разные поверхности, поры и внутренние кристаллические структуры в металле. Эти скрытые различия сильно влияют на то, как жидкости и растворённый кислород достигают металла при его работе в качестве имплантата.

Шероховатые поверхности и скрытые полости

С помощью 3D-сканов поверхности и микроскопов команда обнаружила, что все образцы, напечатанные на 3D-принтере, имели шероховатые, волнообразные внешние поверхности. Эта шероховатость может быть и благом, и проблемой. С одной стороны, она помогает кости прорастать в имплантат, улучшая фиксацию. С другой — она может предоставить укрытие для бактерий. Ключевое различие проявилось внутри деталей. EBM и LPBF создавали в основном плотный металл с лишь несколькими мелкими округлыми порами. MEX, напротив, содержал периодическую сеть более крупных, вытянутых пустот, ориентированных вдоль напечатанных филаментов и слоёв. Эта встроенная сеть пор — не просто несколько изолированных дефектов: она формирует пути, которые потенциально могут позволить жидкости проникать глубоко в деталь. Все образцы имели одинаковую базовую «двухфазную» кристаллическую структуру, но форма и размещение этих фаз различались, что может тонко менять поведение разных областей сплава в коррозионных условиях.

Как сплав ведёт себя в жидкостях, имитирующих организм

Чтобы имитировать воздействие внутри человеческого тела, исследователи погружали образцы в солевые растворы при температуре тела и отслеживали величину тока в электрохимических испытаниях — показатель коррозионной активности. В слегка агрессивном, телоподобном фосфатно-буферном растворе все 3D-печатные сплавы — включая MEX — сформировали стабильную защитную оксидную плёнку на поверхности, подобную традиционному кованому металлу. После долгого времени токи устанавливались на очень низких значениях, что указывает на отличную общую стойкость. Небольшие различия проявлялись при полировке поверхностей. В этом случае образцы MEX показали немного более высокие токи, намекая на то, что полировка подрезала их крупные поры и оголила внутренние поверхности для контакта с жидкостью, увеличивая эффективную площадь, где может начаться коррозия. Тем не менее в этой мягкой среде даже MEX вел себя приемлемо.

Что происходит в более жёстких, кислотных условиях

Картина менялась в более экстремальных условиях, имитирующих локальные среды, которые могут возникать рядом с имплантатами — например внутри тесных щелей или в воспалённой ткани, где раствор может становиться кислым, а кислорода может не хватать. Короткие испытания в очень кислых солевых растворах показали, что все версии Ti-6Al-4V корродировали быстрее, и что отдельные микроскопические области металла растворялись охотнее других. Исследователи отметили, что одна из фаз сплава (так называемая альфа-фаза) имела тенденцию корродировать немного быстрее другой (бета), создавая мелкомасштабную селективную атаку. Однако общие скорости коррозии разных способов изготовления по-прежнему выглядели схожими в краткосрочных тестах. В долговременных испытаниях продолжительностью несколько недель глубинное влияние пор стало очевидным. Кованые, EBM и LPBF образцы обычно демонстрировали равномерное, относительно мягкое истончение с лишь периодическими мелкими ямками, и их скорости коррозии даже снижались по мере утолщения защитных слоёв. Детали MEX, однако, теряли материал в три-пять раз быстрее. Микроскопия показала, что после полировки внешней поверхности взаимосвязанные макропоры открывались прямо в тестовую жидкость. Это позволяло кислому раствору просачиваться вдоль сети пор, расширять пустоты и продвигать коррозию глубоко внутрь.

Что это значит для будущих имплантатов

Для пациентов и разработчиков основной вывод ободряет, но требует осторожности. Когда Ti-6Al-4V изготавливается современными лучевыми методами 3D-печати (EBM и LPBF), его стойкость к коррозии в телоподобных жидкостях остаётся сопоставимой с традиционным кованым металлом. Главная проблема возникает при синтеро‑основанном экструдировании материала: его встроенная сеть крупных, связанных пор может серьёзно подорвать долговечность в агрессивных, кислых средах, которые иногда возникают вокруг имплантатов. Авторы заключают, что хотя все протестированные маршруты способны давать химически надёжные детали в нормальных условиях, MEX потребует лучшего контроля пористости — через оптимизацию печати, спекания или постобработок — прежде чем он сможет безопасно соответствовать долгосрочной коррозионной производительности, требуемой для самых взыскательных биомедицинских и инженерных применений.

Цитирование: Lorenzi, S., Nani, L., Persico, T. et al. A comparative study on the corrosion resistance of Ti-6Al-4V produced via material extrusion and other additive manufacturing technologies. npj Mater Degrad 10, 32 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00745-4

Ключевые слова: титановые имплантаты, 3D-печать, коррозия, биоматериалы, аддитивное производство