Ti94Fe1Cu1Sn4合金的电化学行为与细胞毒性评估：一种新型骨科植入材料的突破性研究

为解决传统钛合金（如Ti-6Al-4V）中铝（Al）和钒（V）的毒性及过敏风险，俄罗斯国立研究技术大学团队开发了新型Ti94Fe1Cu1Sn4合金。研究通过电化学阻抗谱（EIS）、X射线光电子能谱（XPS）和细胞毒性测试证实，该合金具有更低的腐蚀电流密度（0.0825–0.0879 μA/cm2）、优异的被动膜稳定性（Rb达510 kΩ·cm2）及更高的细胞存活率（50% vs 20%）。其机械性能（σuts=1300 MPa，E=70 GPa）和生物相容性为骨科植入物提供了更优选择，成果发表于《Next Materials》。

　　

随着全球每年超过百万例骨科植入手术的需求激增，传统钛合金Ti-6Al-4V的局限性日益凸显——其含有的铝和钒可能引发过敏反应、神经系统毒性（如阿尔茨海默病风险），且长期植入后离子释放问题备受关注。更棘手的是，现有材料难以兼顾力学性能（如弹性模量110-120 GPa与骨组织不匹配）和生物安全性。俄罗斯国立研究技术大学的Vasily A. Bautin团队为此设计了一种革命性解决方案：通过引入低毒性元素铁（Fe）、铜（Cu）和锡（Sn），开发出Ti₉₄Fe₁Cu₁Sn₄合金，相关成果发表在《Next Materials》上。

研究团队采用电弧熔炼结合单道次轧制（750°C）制备合金，通过扫描电镜（SEM）观察α+β双相结构，利用电化学工作站测试在Hank's模拟体液中的极化曲线，并采用XPS解析被动膜成分。细胞实验选用人纤维肉瘤细胞HT1080，通过MTS法量化存活率。

材料与结构特性

轧制态合金展现出1300 MPa的抗拉强度和70 GPa的弹性模量，显著低于Ti-6Al-4V的115-120 GPa，更接近天然骨力学参数。EDS图谱显示Sn均匀分布于β-Ti相，而Fe/Cu富集于晶界，这种微观结构设计有效提升了强度-塑性平衡。

电化学行为

在37°C的Hank's溶液中，合金腐蚀电流密度（0.0825 μA/cm²）较Ti-6Al-4V降低30%，且被动区电流稳定在1.4-1.55 μA/cm²（200-1000 mV）。EIS分析揭示其被动膜呈双层结构：外层多孔（n₁=0.45）富含Fe³⁺/Fe²⁺化合物，内层致密（n₂=0.95）以TiO₂为主。莫特-肖特基测试显示n型半导体特性，载流子浓度随成膜电位升高而下降（10²⁰ cm^-3），表明膜稳定性增强。

表面化学与离子释放

XPS检测到被动膜中Fe含量高达60.4 at%（Ti仅35.5 at%），这种铁向外扩散现象通过反应（3）Fe³⁺+e^-→Fe²⁺形成阴极去极化保护。溶液浸泡720小时后，Fe/Cu/Ti的释放量分别为0.05/0.011/0.0012 mg/L，远低于致毒阈值。

生物相容性突破

相比商业纯钛（Grade 1），Ti₉₄Fe₁Cu₁Sn₄使细胞存活率提升2.5倍（50% vs 20%），这归因于Fe²⁺的促粘附作用及极低的Sn/Cu溶出（<0.008 mg/L）。而Ti-6Al-4V在临床中曾检出1514 ng/mL的钒离子蓄积，直接导致细胞凋亡。

这项研究通过多尺度表征证明，Ti₉₄Fe₁Cu₁Sn₄合金的"Fe诱导被动膜强化"机制解决了传统材料的三大痛点：毒性元素替代、力学适配性优化及长期植入稳定性。其创新性在于利用Fe/Cu/Sn协同效应，既通过Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原对提升耐蚀性，又借助Sn降低弹性模量。该材料适用于粉末床熔融（PBF/SLM）等先进加工技术，为个性化植入物制造开辟了新路径。