提升生物复合材料与金属植入物粘接强度的研究进展

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提升生物复合材料与金属植入物粘接强度的研究进展——基于选择性激光熔化（SLM）技术的表面改性探索（DOI: 10.3390/coatings11040483）

随着3D打印和增材制造技术在医疗领域的快速发展，选择性激光熔化（SLM）已成为制造个性化金属植入物的重要手段。然而，SLM制造的金属表面通常存在粗糙度不均、残留未熔颗粒等问题，影响其与生物复合材料之间的粘接性能。为此，罗马尼亚克卢日-纳波卡技术大学与巴比什-博尧伊大学的研究团队开展了一项系统研究，探讨不同金属基底与生物复合材料之间的粘接行为，并提出通过表面喷砂处理显著提升粘接强度的有效策略。
一、研究背景与目的
金属植入物如钛合金、钴铬合金广泛应用于口腔、骨科等领域，但其表面生物活性不足，常与生物复合材料联合使用以提升组织整合能力。SLM技术虽能精确制造复杂结构的金属植入物，但其表面特性不利于复合材料的牢固粘接，可能成为临床失败的隐患。
本研究旨在评估不同SLM制造金属（纯钛、Ti6Al7Nb、CoCr及CoCrWMo合金）与五种生物复合材料（包括2种商业玻璃离子水门汀和3种自制复合树脂）之间的粘接强度，并探讨喷砂处理对粘接性能的影响。
二、研究方法概览
研究团队共制造了160个金属试样，采用SLM技术成型后，部分试样经氧化铝喷砂处理。通过压缩、弯曲和拉伸等力学测试评估生物复合材料的机械性能，并利用剪切粘接强度测试评估金属与复合材料之间的界面粘接性能。采用扫描电子显微镜（SEM）观察界面形貌，分析粘接失效机制。
三、主要研究结果

• 表面粗糙度与粘接性能密切相关
  喷砂处理显著提高了金属表面的粗糙度和清洁度，除CoCrWMo外，所有金属的Ra值均有所降低，表面更加均匀。粗糙度的提升增强了复合材料的机械嵌合作用，有利于粘接强度的提高。
• CoCr合金表现出最佳粘接性能
  在所有金属中，CoCr合金与生物复合材料的粘接强度最高，尤其是与实验组P3复合材料结合并经喷砂处理后，粘接强度达到最大值（约15 MPa）。相比之下，纯钛的粘接性能提升幅度较小，表明其表面化学稳定性较高，但也限制了与复合材料的化学反应。
• 复合材料成分显著影响力学性能与粘接行为
  实验发现，复合材料中BisGMA单体的含量与其压缩强度、弯曲模量呈正相关。P3组因填料含量最高（50%），表现出最佳的弹性模量和粘接性能。而商业材料如Ketac CEM因缺乏BisGMA，粘接强度明显偏低。
• 喷砂处理提升粘接强度约20%
  尽管统计学上未表现出显著差异（p=0.09376），但喷砂处理在所有金属-复合材料组合中均提升了粘接强度，增幅在0.08~3.5 MPa之间，验证了其在改善界面性能方面的有效性。
• 界面形貌揭示粘接机制
  SEM观察显示，在未喷砂样品中，复合材料几乎完全脱落，界面光滑；而喷砂处理后，金属表面残留大量复合材料，形成扩散层和微机械嵌合结构，表明喷砂增强了物理锚定和化学键合作用。
  

四、研究意义与展望
本研究系统评估了SLM制造金属与生物复合材料的粘接性能，明确指出喷砂处理和复合材料成分优化是提升界面强度的关键因素。研究结果为个性化植入物表面改性提供了实验依据，有助于提高植入物的临床可靠性和使用寿命。
未来研究可进一步探索以下方向：

• 多机制协同表面改性：结合喷砂、酸蚀、激光处理等多种手段，优化金属表面形貌与化学活性；
• 长期稳定性评估：在模拟体液环境中测试粘接界面的老化行为；
• 生物功能性提升：开发具有抗菌、成骨诱导功能的新型复合材料；
• AI辅助材料设计：利用人工智能优化复合材料配方与结构参数，实现个性化定制。
  

五、结语
随着增材制造与生物材料科学的融合发展，金属-复合材料协同设计将成为下一代智能植入物的核心方向。通过科学的表面改性与材料优化，我们有望突破传统植入物的性能瓶颈，真正实现“材料-组织”的无缝融合，推动精准医疗与再生医学的跨越式发展。