学术报告

一、研究主要作者与发表信息

本文由Ridvan Yamanoglu、Anka Trajkovska Petkoska、Hasan Ismail Yavuz、Huseyin Uzuner、Marian Drienovsky、Ilija Nasov和Fuad Khoshnaw共同完成，研究单位包括Kocaeli University（Kocaeli大学）、St. Kliment Ohridski University（圣克里门特·奥赫里德斯基大学）、Korea University（韩国大学）、Slovak University of Technology in Bratislava（斯洛伐克布拉迪斯拉发科技大学）、De Montfort University（德蒙福特大学）等。本文发表在Materials Today Communications期刊2024年第40卷，文章编号109442。

二、研究背景

本文研究聚焦于增材不锈钢316L材料在生物医学领域中的改性与应用。AISI 316L不锈钢因其良好的耐腐蚀性、机械强度以及成本优势被广泛用于生物医学中，如骨植入物、医疗设备等。然而，其在生物医学领域的使用也存在以下不足：
1. 低抗磨性能导致长期植入体受到磨损和腐蚀；
2. 材料表面易形成细菌生物膜，增加感染风险。

为了解决这些问题，研究人员采用合金掺杂（doping）的方法，选择铜（Cu）和铈（Ce）作为掺杂剂，并系统研究了其对316L材料的力学性质（如耐磨性）、电化学性能（耐腐蚀性）及抗菌性能的改进作用，以评估其作为人体植入物材料的潜能。

三、研究设计与研究方法

本研究分为六个主要实验步骤，每个步骤详述如下：

1. 材料制备与表征
- 样品制备：将316L不锈钢分别掺杂0.5%、1.5%、3%（质量分数）的Ce和1.5%、2.5%、3.5%的Cu。通过mam-1电弧熔炼设备，在99.9999%高纯氩气环境下完成多次熔融，随后进行均质化处理（1100°C，2小时）及冷轧与退火（1100°C，30分钟）。
- 样品加工：将样品切割为小圆片，使用不导电树脂包埋后，抛光至粗糙度为1 µm。最终密度通过阿基米德原理测量。
- 显微组织分析：利用扫描电子显微镜（SEM）及能谱仪（EDS）对材料微观结构和化学组成进行研究。

2. 密度测试
通过实验测量掺杂不同Ce与Cu含量后样品的密度变化，评估其对材料机械性能的潜在影响。

3. 干摩擦与湿摩擦磨损测试
按照ASTM G99标准开展球盘摩擦磨损测试：
- 干摩擦实验：在50米滑动距离、10 N负载及150 rpm转速条件下进行，采用100Cr6钢球作为对面材。
- 湿摩擦实验：在模拟体液（0.9% NaCl溶液）环境下进行，条件与干摩擦相同。
- 磨痕图像通过SEM观察。

4. 电化学腐蚀测试
在三电极体系中，使用Tafel外推法分析掺杂样品的腐蚀电位（Ecorr）及腐蚀电流密度（Icorr）。测试在模拟体液条件下，以扫描速率1 mV/s进行，范围为-250至+250 mV（以饱和甘汞电极为参考）。

5. 抗菌实验
遵循ISO 22196标准测试掺杂样品对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus, ATCC 29213）和大肠杆菌（Escherichia coli, ATCC 25922）两种细菌的抗菌性能。样品经紫外线C波段灭菌后，置于菌液中孵育24小时，通过菌落培养及计数分析抗菌效果。

四、研究主要结果

1. 密度测量
- 所有掺杂样品的密度均高于未掺杂的316L不锈钢，其中3% Ce与2.5% Cu掺杂样品密度最大。

2. 干摩擦与湿摩擦磨损性能
- 干摩擦结果：0.5% Ce与2.5% Cu掺杂样品表现出最高的耐磨性，磨损率最低；Ce掺杂能有效降低摩擦系数（0.25-0.4范围）。SEM观察显示掺杂后材料表面磨痕宽度减小，剥落区与塑性变形痕迹最少。
- 湿摩擦结果：所有材料的耐磨性能在模拟体液中均优于干摩擦条件，掺杂样品的耐磨性尤为显著，其中0.5% Ce和2.5% Cu样品表现最佳。

3. 电化学腐蚀性能
- Ce掺杂：0.5% Ce显著增强腐蚀抗性，Icorr值显著降低；但1.5% Ce和3% Ce未进一步提高。
- Cu掺杂：3.5% Cu掺杂样品Icorr最低，在316L表面形成保护性CuCl2层，有助于减缓腐蚀。
- 总体而言，Ce对耐腐蚀性能的提升作用优于Cu。

4. 抗菌性能
- 金黄色葡萄球菌（S. aureus）：0.5% Ce即可抑菌99.94%，1.5% Ce抑菌率达100%；Cu掺杂（特别是3.5% Cu）材料也展现显著的抗菌性能，但抗菌效果略逊于Ce。
- 大肠杆菌（E. coli）：同样随着Ce和Cu含量增加，抗菌性能提高，最高可实现100%抑菌。

五、研究的科学意义与应用价值

该研究通过向AISI 316L不锈钢掺杂微量Ce和Cu，显著改善了其机械性能（耐磨性）、电化学稳定性（耐腐蚀性）及生物相容性（抗菌性能）。这不仅为骨科植入设备和医疗器械开发提供了更可靠的材料基础，同时也为改性不锈钢在生物医学领域的应用拓展提供了重要参考。

• 科学价值：首次明确比较了Ce和Cu掺杂对AISI 316L各特性的影响，为不锈钢领域提供了重要理论指导。
  
• 应用潜力：掺杂后的316L适用于多种医疗环境，如骨关节假体、牙种植体及其他医疗植入物，满足长期植入需求。

六、研究亮点和创新性

1. 材料多功能改性：通过微量掺杂同时提升耐磨、耐腐蚀及抗菌性能，且实现方式简单高效。
   
2. 生物医学场景兼容性：实验设计覆盖干、湿两种环境，严格模拟医疗条件。
   
3. 新生物材料潜能：所选Ce和Cu掺杂剂展现了优良的抗菌能力及低毒性特性。
   

七、总结

本研究系统而细致地探讨了Ce与Cu对AISI 316L不锈钢的改性作用，验证其在生物医学领域内的可行性及应用潜能。这一工作为下一代植入体材料的研发提供了有力支持，填补了金属材料功能化研究中的重要空白。