通过微等离子弧金属粉末增材制造工艺制备的Co–Cr–Mo合金中加入Ti对显微组织和力学性能的影响

更强的金属，延长膝关节寿命

当我们接受膝关节植入时，会把体重交给它，日复一日，年复一年。然而，真实的植入物可能会逐渐磨损、松动或出现裂纹。本研究探讨了一种方法，通过加入少量钛并采用精确的类3D打印制造工艺，使一种常用的植入金属不仅更坚固、更韧，而且更有利于体内环境。

为什么这种常用植入金属需要升级

现代人工膝关节常用钴-铬-钼合金制成，因其在体内耐腐蚀且能经受关节持续摩擦。然而，该合金刚性很大，可能把应力从骨骼转移走，长期会导致骨质弱化，并且容易出现微孔和裂纹，缩短植入物寿命。钛及其合金对骨更友好且更轻，但耐磨性较差。作者尝试通过在钴-铬-钼基体中加入仅4%（按重量）的钛，并采用微等离子弧金属粉末增材制造工艺——一种精细的金属3D打印方法，来融合两者的优势。

打印一种新型膝关节金属

研究团队没有采用铸造或大块激光熔化，而是使用一台定制的五轴设备，将金属粉末送入微小等离子炬中，以薄层沉积材料。他们首先混合高纯度的钴、铬、钼粉末，且在新配方中加入钛粉，随后干燥并在钛基板上沉积八层堆叠材料。然后从这些沉积体中切取小型试样，用以测量密度、孔隙率、硬度及拉伸、压缩和弯曲等力学性能。他们还对样品进行了抛光和化学蚀刻，以在强力显微镜下观察金属内部组织并鉴定存在的不同晶相。

加入钛后内部发生的变化

在原始合金中，研究人员观察到富钴组织，主要存在两种晶体形态，并伴有硬的铬碳化物和与孔洞相关的小裂纹。加入钛后，金属内部晶粒变细，微裂纹数量减少。出现了含钛的新区域，包括一种在高温下稳定的相以及表现为硬质增强颗粒的钴-钛化合物。同时，总体孔隙率下降，但密度略有降低，这是因为钛比钴、铬和钼更轻。一层钛氧化物保护膜有助于抑制进一步氧化，从而减少孔隙形成。

从显微组织到实际性能

这些内部变化带来了明显的性能提升。含钛改性合金表现出更高的硬度，表明对压痕和磨损的抵抗力更强。在拉伸试验中，其屈服强度和极限抗拉强度更高，同时断前伸长增加，意味着材料既更强又更有延展性。在压缩试验中，新合金能承受更高载荷并显示出更大的横截面积增长，表明其在不发生失效的情况下能吸收更多能量。三点弯曲试验（模拟植入物可能遭受的面外载荷）也显示含钛组更优，具有更高的抗弯强度和更大的断裂前弯曲量。更细的晶粒、更少的孔隙以及硬质钴-钛颗粒共同作用，阻止了导致永久变形和裂纹扩展的晶格微位移。

这对未来膝关节植入物意味着什么

总体而言，加入少量钛并通过微等离子增材制造成形，使该金属相比标准的钴-铬-钼合金更加轻、孔隙更少、硬度更高，并在拉伸、压缩和弯曲方面展现出优异的机械性能。由于其刚度略低且在受载时更为宽容，应能减小金属与骨之间的刚度不匹配，从而缓解所谓的应力遮蔽问题。尽管还需进一步的生物相容性与长期测试，但这项工作表明，经过精心调控的钛添加量与先进的金属3D打印技术，有望带来使用寿命更长、失效更少且患者感觉更自然的膝关节植入物。

引用: Negi, B.S., Arya, P.K., Jain, N.K. et al. Effect of Ti addition on microstructure and mechanical properties of Co–Cr–Mo alloy developed by µ-plasma arc metal powder additive manufacturing process. Sci Rep 16, 7308 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35741-w

关键词: 膝关节植入物, 钴铬合金, 钛增强, 增材制造, 生物医用材料