通过材料挤出与其他增材制造技术制备的Ti-6Al-4V耐蚀性比较研究

为什么3D打印钛植入物很重要

许多现代髋关节置换、骨板和牙科螺钉由一种名为Ti-6Al-4V的钛合金制成。这种金属强度高、质量轻，且在体内通常对类似生锈的损伤有良好抵抗力。新的3D打印方法承诺能制造更便宜、更个性化的植入物，但它们也会改变金属的微观内部结构和孔隙率。本研究提出了一个简单但具有重大医疗意义的问题：不同的3D打印路线是否会使这种可信赖的合金更容易腐蚀并向体内释放金属？

用不同方法打印同一种金属

研究人员比较了三种先进的3D打印方法以及一种传统锻造的Ti-6Al-4V版本。两种方法——电子束熔化（EBM）和激光粉床熔化（LPBF）——使用强能束将松散粉末逐层熔化成致密部件。较新的材料挤出（MEX）路线则是将充填金属粉的塑料丝挤出成形，去除塑料，然后将填充的金属粉烧结成实心件。尽管这四种路线都以相同的钛、铝和钒配方为起点，它们在表面、孔隙和金属内部晶粒排列方面留下了非常不同的特征。这些隐含差异会显著影响液体和溶解氧在植入物服役时如何到达金属表面。

粗糙表面与隐蔽空洞

通过3D表面扫描和显微镜观察，团队发现所有3D打印样品都有粗糙、波状的外表面。这样的粗糙度有利有弊。一方面，它有助于骨组织生长到植入物上，从而改善固定；另一方面，它也可能为细菌提供藏身之处。关键差异出现在零件内部。EBM和LPBF主要生成致密金属，仅有少数微小、圆形孔隙。相比之下，MEX包含与打印丝和层方向对齐的周期性大型、拉长空洞网络。这种内建的孔隙网络并非几处孤立缺陷：它形成了可以潜在让液体深入部件内部的通路。所有样品都具有相同的基本“两相”晶体结构，但这些相的形状与排列不同，这会在微观上改变合金不同区域对腐蚀环境的反应。

合金在类人体液中的表现

为模拟人体内的暴露条件，研究人员将样品浸入体温下的盐基溶液中，并在电化学测试中监测流过的电流量，这一指标可反映腐蚀活性。在温和且类人体的磷酸盐缓冲溶液中，所有3D打印合金——包括MEX——在表面都形成了稳定的保护性氧化膜，与传统锻造金属类似。经过长时间后，电流降至很低，表明总体耐蚀性良好。在将表面打磨光滑的情形下出现了细微差别：此时MEX零件表现出略高的电流，暗示打磨可能切开了其大孔并暴露出内部表面，使腐蚀可能发生的有效面积增大。尽管如此，在这种温和环境下，即便是MEX也表现得可接受。

在更恶劣、酸性条件下会发生什么

在模拟可能出现在植入物周围的局部环境（例如狭缝内或发炎组织中，流体可变为酸性且氧气可能不足）的更极端条件下，情况发生了变化。在非常酸性的盐溶液中进行的短期测试表明，所有Ti-6Al-4V版本的腐蚀都加快了，而且金属的某些微小区域比其他区域更易溶解。研究者观察到合金的一种相（所谓的α相）比另一种（β相）倾向于稍快腐蚀，产生细尺度的选择性蚀刻。然而，不同制造路线在短时间内的总体腐蚀速率仍然相近。在持续数周的长期测试中，孔隙的深层影响变得明显。锻造、EBM和LPBF样品主要表现为温和的整体变薄，仅出现偶发的小点蚀，且随着保护层增厚它们的腐蚀速率甚至有所减缓。MEX零件则损失材料的速度快了三到五倍。显微观察显示，一旦外表面被抛光，相互连通的宏观孔隙会直接与测试液体连通。这使酸性溶液沿孔隙网络渗入，扩大空洞并将腐蚀推进到内部深处。

这对未来植入物的意义

对患者和设计者来说，关键结论既令人宽慰又富有细微之处。当Ti-6Al-4V由现代基于能束的3D打印方法（EBM和LPBF）制备时，其在类人体液中的耐蚀性仍与传统锻造金属相当。主要的担忧出现在基于烧结的材料挤出：其内在的、大而相互连接的孔隙网络在植入物周围有时出现的恶劣酸性环境中会严重削弱耐久性。作者得出结论：虽然在正常条件下所有测试路线都能制备出化学上稳健的零件，但MEX在要达到最苛刻生物医学和工程应用所需的长期耐腐蚀性能之前，需要通过优化打印、烧结或后处理更好地控制孔隙率。

引用: 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

关键词: 钛植入物, 3D打印, 腐蚀, 生物材料, 增材制造