钛合金因其优异的机械强度、材料稳定性以及与生物体更好的相容性而被广泛应用于人工骨植入物和齿科植入体的研究。然而，植入体引起的一系列过敏和局部组织感染会产生相关并发症，如植入体不匹配炎症等，导致植入物被移除。抗菌生物材料，如铜、银、锌合金，旨在改善或完全克服这些困难。抗菌原理主要是因为这些合金在活体中缓慢释放铜或银离子。这些游离金属离子具有很好的杀菌作用。Cu离子的释放速率与铜在Ti-Cu合金中的状态和形态有关，如固溶体或金属间化合物。Ti2Cu金属间化合物表现出很强的抗菌性能和第二相强化，但Cu作为固溶体Cu并没有有效地发挥更好的抗菌能力。进一步研究发现，细菌与Ti2Cu需要保持一定的接触面积才能使细菌被消灭，而Ti-Cu合金本身的抗菌能力与Ti2Cu的表面积直接相关。

来自长安大学陈永楠教授团队与西安理工大学汤玉斐教授团队联合设计不同Ti2Cu相形貌的Ti-Cu合金并将多种因素控制到最佳水平，获得较好的Ti2Cu相形态提供了实验依据。相关论文以题为“Biological corrosion behaviour and antibacterial properties of Ti-Cu alloy with different Ti2Cu morphologies for dental applications”发表在Materials & Design。

论文第一作者为长安大学硕士研究生辛程，通讯作者为长安大学陈永楠教授和赵秦阳博士及西安理工大学汤玉斐教授，合作者还包括西北有色金属研究院的赵永庆教授和国家地方生物钛合金联合工程中心杨晓康教授等。

本工作系统研究了Ti2Cu形貌对Ti-Cu合金生物腐蚀和抗菌性能的影响。Ti-Cu合金的腐蚀速率受Ti2Cu相形貌影响较大，片层状Ti2Cu相合金的腐蚀速率是颗粒状Ti2Cu相合金的2倍。Ti2Cu在微电偶腐蚀过程中作为阳极相优先释放Cu离子以在生物腐蚀中引发抗菌性能。由片状Ti2Cu相和α基体组成的微原电池具有更快的Cu离子释放速率和抗菌速率。对于Ti-Cu齿科植入体，片层状Ti2Cu相具有更多的抗菌优势，具有更高的应用价值。

图 1 植入装置：(a) Ti-Cu牙钉，(b) 不同 Ti-Cu 合金的 XRD 图谱，不同 Ti2Cu 形貌的Ti-Cu合金：(c-d) G-Ti2Cu, (e-f) L-Ti2Cu 和(g-h) GL-Ti2Cu。

图 2 不同形貌Ti2Cu的Ti-Cu合金的SKP电位图像和等值线图（红色区域为具有伏特电位值的Ti基体，蓝色颗粒为具有低伏特电位值的Ti2Cu金属间化合物）：（a, d）G -Ti2Cu, (b, e) L-Ti2Cu, (c,f) GL-Ti2Cu, Ti-Cu 合金的腐蚀形态：(g) G-Ti2Cu, (h) L-Ti2Cu和(i) GL-Ti2Cu。

图 3 不同 Ti-Cu 合金上的典型金黄色葡萄球菌菌落和合金在共培养 6、12 和 24 小时后对金黄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。

图 4 Ti-Cu 合金在抗菌过程中微电偶腐蚀引起的Cu离子释放示意图：(a) G-Ti2Cu 和 (b) L-Ti2Cu。

在本研究中，Cu离子的释放源于Ti2Cu相的腐蚀，Ti-Cu合金的腐蚀行为取决于Ti2Cu的形貌和分布。不同的显微组织影响合金的腐蚀形貌。由于两种金属的主基团不同，会产生电位差，Ti和Cu可以进行电子移动和电荷转移。沿α-Ti/Ti2Cu相界面Ti2Cu与α-Ti相之间发生电偶腐蚀，在Ti2Cu侧处腐蚀更为严重。因此，反应环境中不同相引起的微电偶腐蚀是研究Ti-Cu合金抗菌性的关键因素。通过改变Ti2Cu相的形貌，揭示了颗粒状和片状Ti2Cu对抗菌过程的生物腐蚀机理。由于不同的伏打电位，在片层状Ti2Cu相和α-Ti基质之间形成了细长的“微电偶”。片层Ti2Cu合金的Cu2+离子释放量比颗粒状Ti2Cu合金高55%，并达到99.5%的抑菌率，为齿科植入体的临床应用提供了更多的理论依据。