大塊金屬植入物材料中的應(yīng)力屏蔽是由高剛性植入物和低剛性骨之間的剛度不匹配造成的。由于應(yīng)力屏蔽導(dǎo)致的骨吸收問題，植入物松動可能直接或間接發(fā)生，需要進(jìn)行翻修手術(shù)。因此，許多研究人員做出了大量努力來提高材料的強(qiáng)度和韌性，主要目標(biāo)是制造一種可以在人體內(nèi)長時間運(yùn)行，無需翻修手術(shù)的植入物。由于上述問題，已經(jīng)開發(fā)了多孔醫(yī)用鈦合金，這顯著降低了大塊鈦合金的彈性模量。近年來，選區(qū)激光熔化（SLM）技術(shù)為特定患者創(chuàng)建具有多孔結(jié)構(gòu)的復(fù)合支架。由SLM制備的鈦基多孔支架因其重量輕、強(qiáng)度高、彈性模量低、耐腐蝕性好、生物相容性好等優(yōu)點，成為骨植入物中最有前途的應(yīng)用材料。

鈦合金通常應(yīng)用于人體髖關(guān)節(jié)，當(dāng)人們在行走時，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)將會承受循環(huán)載荷。因此，有必要提高應(yīng)用于人體內(nèi)鈦合金植入物的機(jī)械性能，特別是疲勞性能。疲勞機(jī)制導(dǎo)致鈦合金髖關(guān)節(jié)假體近90%的表面斷裂。除了振蕩的機(jī)械負(fù)荷外，植入物材料還暴露于生理液體中，生理液體由鹽水溶液組成，因此金屬植入物會因腐蝕疲勞而失效。

雖然已經(jīng)對降低固體鈦合金疲勞壽命的腐蝕進(jìn)行了廣泛的研究，但迄今為止很少有關(guān)于多孔結(jié)構(gòu)鈦合金植入物的研究報道。 銅是金屬中普遍存在的合金元素，也是人類健康所必需的微量元素。 在鈦合金中添加一定量的銅元素，可以賦予鈦合金抗菌性。 目前，關(guān)于SLM制備的多孔Ti6Al4V-6Cu支架的疲勞行為的信息還非常有限，無法確定其臨床適用性。

近日，沈陽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院聯(lián)合中國醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院、中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所和中國科學(xué)院金屬研究所等研究人員，研究了激光選區(qū)熔化（SLM）制備多孔含銅（Cu）的鈦合金（Ti6Al4V）在空氣和0.9wt%NaCl溶液中的腐蝕疲勞行為，基于疲勞循環(huán)變化確定了疲勞裂紋起始點在循環(huán)應(yīng)變曲線上的位置。表明裂紋在高應(yīng)力和0.9wt%NaCl溶液狀態(tài)下加速擴(kuò)展，主要為晶間斷裂。Ti2Cu相在晶界附近沉淀析出使得多孔Ti6Al4V-6Cu樣品具有更高的疲勞強(qiáng)度和更長的疲勞使用壽命。

因此這項研究從裂紋萌生和擴(kuò)展的角度研究了SLM制備多孔Ti6Al4V-6Cu合金的疲勞性能以及在0.9wt%NaCl溶液中的腐蝕疲勞行為。同時將其與多孔Ti6Al4V合金進(jìn)行了比較。 利用商用的Ti6Al4V粉末和純銅粉末為原料，在德國ConCEPT Laser GmbH增材制造機(jī)器上成形樣品，樣品為直徑20-40 mm的Ti6Al4V-6Cu。 在SLM打印之前，通過球磨將粉末徹底混合2小時。 然后將所得混合物在80℃的烘箱中干燥保持12小時。 使用相同的方法在不添加Cu粉末的情況下制備多孔Ti6Al4V樣品。

（A）SLM制備的多孔樣品的宏觀照片；（B） 和（C）多孔材料的支柱形態(tài)；（D） Ti6Al4V支柱的化學(xué)成分；（E）Ti6Al4V-6Cu支柱的化學(xué)成分；（F） SLM制備Ti6Al4V-6Cu和Ti6Al4V樣品的XRD

使用SLM制備樣品的微觀結(jié)構(gòu)：（A）Ti6Al4V-6Cu；（B）Ti6Al4V

Ti6Al4V-6Cu和Ti6Al4V多孔結(jié)構(gòu)樣品的靜態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Ti6Al4V-6Cu和Ti6Al4V多孔結(jié)構(gòu)樣品機(jī)械性能

Ti6Al4V-6Cu試樣在空氣和0.9wt%NaCl中的疲勞應(yīng)變

疲勞斷裂面的SEM：（A） 疲勞試驗后多孔結(jié)構(gòu)試樣俯視圖，顯示了支柱節(jié)點處的二次開裂（黃色箭頭）；（B）由缺陷引起的二次開裂，以及（C）無缺陷的二次裂紋；（D） 內(nèi)部孔隙放大圖

顯微CT圖像Ti6Al4V-6Cu（A）在空氣中和（B）在0.9wt%NaCl中的疲勞裂紋軌跡

Ti6Al4V在疲勞循環(huán)條件下的疲勞應(yīng)變：（A）空氣環(huán)境；（B）0.9wt%NaCl環(huán)境中

研究結(jié)果表明加入Cu后，Ti6Al4V-6Cu的靜態(tài)壓縮性能優(yōu)于純的Ti6Al4V合金樣品，特別是抗壓強(qiáng)度，約為Ti6Al4V合金的1.43倍。疲勞裂紋萌生點在應(yīng)變曲線上的位置由疲勞循環(huán)決定，在高應(yīng)力狀態(tài)下裂紋萌生更快。在含有0.9wt%NaCl的環(huán)境中，Ti6Al4V-6Cu主要失效機(jī)制為晶間斷裂和部分穿晶斷裂模式，這種斷裂模式歸因于腐蝕疲勞。并且含有0.9 wt%NaCl的環(huán)境加速了裂紋擴(kuò)展。由于鋸齒形疲勞裂紋擴(kuò)展的影響和Ti2Cu相沉淀在晶界附近，多孔Ti6Al4V-6Cu樣品比Ti6Al4V合金樣品具有更長的疲勞使用壽命。