钛-钽合金的激光粉末床熔合:生物医学应用的组成和设计

供稿人:梁智美、高琳
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

激光粉末床熔合(L-PBF)技术，又称选择性激光熔合(SLM)技术，由于其大规模定制的能力，引起了人们对开发生物医学应用方面的技术的兴趣。在L-PBF用于生物医学应用的研究中，许多都将重点放在研究纯钛和钛基合金的L-PBF上。

钽由于其良好的生物相容性、耐腐蚀性和良好的机械性能，是生物医学领域钛合金的理想选择。但由于钽、钛在密度和熔点上的巨大差异，传统的合金化过程很难将它们结合在一起，因此TiTa合金还没有得到广泛的应用。有研究表明L-PBF能够制造出TiTa合金，也有原位合金化和直接制造功能部件的潜力。

新加坡南洋理工大学以及澳大利亚联邦科学与工业研究组织的研究人员采用L-PBF和原位合金化的方法，用0、10、30、50 wt.%的钽制备了钛钽合金样品。测定了合金的微观结构同时研究了合金的力学性能。为了确定这些合金作为生物材料的适用性，对其进行了生物相容性的评估。

研究人员采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、反向散射电子(BSE)探测器、电子背散射衍射(EBSD)和x射线衍射(XRD)相结合的方法测定了合金的微观结构。通过BSE和EBSD分析，研究人员测量并计算出了每个部位在基质区域的平均板条/针状宽度。

为了研究合金的力学性能，研究人员采用了拉伸试验和维氏硬度试验进行研究。研究发现，Ti30Ta的模量最低，而抗拉强度(UTS)和屈服强度(YS)最高，为骨科应用提供了最佳的力学性能。L-PBF生产的TiTa合金的拉伸性能如图1所示。从BSE和EBSD分析可以看出，随着Ta的加入，板条/针状晶粒的平均尺寸减小。而通过维氏硬度试验可以发现，Ta的加入细化了板条/针状相的尺寸，使TiTa合金的强度能够达到Ti30Ta的强度。

图 1 不同钽含量的钛钽合金的力学性能：(a)杨氏模量 (b)极限抗拉强度 (c)屈服强度 (d)延伸率

在生物相容性的评估测试中，研究人员使用了dsDNA微绿色法测定了CP Ti、Ti6Al4V和TiTa三种材料的细胞活力，通过方差分析，统计学上确定三种材料在三个时间点上的结果无显著差异。图2显示出，在活死细胞检验中，几乎没有死亡细胞（其中活细胞显示绿色荧光，死细胞显示红色荧光）。这表明，TiTa支架具有与CP Ti和Ti6Al4V类似的生物反应，是一种潜在的生物相容性材料。

图 2

本研究表明，L-PBF制备的多孔TiTa支架具有与Ti6Al4V和商业纯钛相近的生物学结果和可制造性，未来在生物医学应用上将具有很大的潜力。

参考文献：
Sheng Huang,Swee Leong Sing,Geoff Delooze,Robert Wilson,Wai Yee Yeong. Laser powder bed fusion of titanium-tantalum alloys: Compositions and designs for biomedical applications[J]. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials,2020.