鈦合金因其優異的機械強度、材料穩定性以及與生物體更好的相容性而被廣泛應用于人工骨植入物和齒科植入體的研究。然而，植入體引起的一系列過敏和局部組織感染會產生相關并發癥，如植入體不匹配炎癥等，導致植入物被移除。抗菌生物材料，如銅、銀、鋅合金，旨在改善或完全克服這些困難。抗菌原理主要是因為這些合金在活體中緩慢釋放銅或銀離子。這些游離金屬離子具有很好的殺菌作用。Cu離子的釋放速率與銅在Ti-Cu合金中的狀態和形態有關，如固溶體或金屬間化合物。Ti2Cu金屬間化合物表現出很強的抗菌性能和第二相強化，但Cu作為固溶體Cu并沒有有效地發揮更好的抗菌能力。進一步研究發現，細菌與Ti2Cu需要保持一定的接觸面積才能使細菌被消滅，而Ti-Cu合金本身的抗菌能力與Ti2Cu的表面積直接相關。

來自長安大學陳永楠教授團隊與西安理工大學湯玉斐教授團隊聯合設計不同Ti2Cu相形貌的Ti-Cu合金并將多種因素控制到最佳水平，獲得較好的Ti2Cu相形態提供了實驗依據。相關論文以題為“Biological corrosion behaviour and antibacterial properties of Ti-Cu alloy with different Ti2Cu morphologies for dental applications”發表在Materials & Design。

論文第一作者為長安大學碩士研究生辛程，通訊作者為長安大學陳永楠教授和趙秦陽博士及西安理工大學湯玉斐教授，合作者還包括西北有色金屬研究院的趙永慶教授和國家地方生物鈦合金聯合工程中心楊曉康教授等。

本工作系統研究了Ti2Cu形貌對Ti-Cu合金生物腐蝕和抗菌性能的影響。Ti-Cu合金的腐蝕速率受Ti2Cu相形貌影響較大，片層狀Ti2Cu相合金的腐蝕速率是顆粒狀Ti2Cu相合金的2倍。Ti2Cu在微電偶腐蝕過程中作為陽極相優先釋放Cu離子以在生物腐蝕中引發抗菌性能。由片狀Ti2Cu相和α基體組成的微原電池具有更快的Cu離子釋放速率和抗菌速率。對于Ti-Cu齒科植入體，片層狀Ti2Cu相具有更多的抗菌優勢，具有更高的應用價值。

圖 1 植入裝置：(a) Ti-Cu牙釘，(b) 不同 Ti-Cu 合金的 XRD 圖譜，不同 Ti2Cu 形貌的Ti-Cu合金：(c-d) G-Ti2Cu, (e-f) L-Ti2Cu 和(g-h) GL-Ti2Cu。

圖 2 不同形貌Ti2Cu的Ti-Cu合金的SKP電位圖像和等值線圖（紅色區域為具有伏特電位值的Ti基體，藍色顆粒為具有低伏特電位值的Ti2Cu金屬間化合物）：（a, d）G -Ti2Cu, (b, e) L-Ti2Cu, (c,f) GL-Ti2Cu, Ti-Cu 合金的腐蝕形態：(g) G-Ti2Cu, (h) L-Ti2Cu和(i) GL-Ti2Cu。

圖 3 不同 Ti-Cu 合金上的典型金黃色葡萄球菌菌落和合金在共培養 6、12 和 24 小時后對金黃色葡萄球菌的抗菌率：（a）G-Ti2Cu，（b）L-Ti2Cu，（c） GL-Ti2Cu 和 (d) 不同 Ti-Cu 合金的抗菌率。

圖 4 Ti-Cu 合金在抗菌過程中微電偶腐蝕引起的Cu離子釋放示意圖：(a) G-Ti2Cu 和 (b) L-Ti2Cu。

在本研究中，Cu離子的釋放源于Ti2Cu相的腐蝕，Ti-Cu合金的腐蝕行為取決于Ti2Cu的形貌和分布。不同的顯微組織影響合金的腐蝕形貌。由于兩種金屬的主基團不同，會產生電位差，Ti和Cu可以進行電子移動和電荷轉移。沿α-Ti/Ti2Cu相界面Ti2Cu與α-Ti相之間發生電偶腐蝕，在Ti2Cu側處腐蝕更為嚴重。因此，反應環境中不同相引起的微電偶腐蝕是研究Ti-Cu合金抗菌性的關鍵因素。通過改變Ti2Cu相的形貌，揭示了顆粒狀和片狀Ti2Cu對抗菌過程的生物腐蝕機理。由于不同的伏打電位，在片層狀Ti2Cu相和α-Ti基質之間形成了細長的“微電偶”。片層Ti2Cu合金的Cu2+離子釋放量比顆粒狀Ti2Cu合金高55%，并達到99.5%的抑菌率，為齒科植入體的臨床應用提供了更多的理論依據。