激光微织构NiTi表面在人工体液中的电化学性能评估及其生物医学应用价值

本研究针对NiTi植入体在生理环境中易腐蚀导致镍离子释放的问题，通过激光织构技术制备蜂窝(HC)和方形(S)两种微图案（低/高密度），系统评估其在合成唾液(SS)和模拟体液(SBF)中的腐蚀行为。结果表明，高密度织构样品(HC-h/S-h)表现出更优的亲水性（接触角80.1°-81.5°）和钝化性能（OCP达-0.132?V），电化学阻抗(EIS)提升至105</?Ωcm2量级，极化电阻提高1.5-15倍。XPS证实表面形成TiO2/Ti2O3/NiO保护层，为植入体表面改性提供新策略。

　　

论文解读

在生物医学领域，镍钛合金(NiTi)因其独特的形状记忆效应和超弹性被广泛应用于骨科植入物、牙科器械和心血管支架。然而，人体生理环境中的腐蚀问题始终是悬在材料头上的"达摩克利斯之剑"——长期接触唾液、血液等体液会导致镍离子释放，引发过敏甚至致癌风险。更棘手的是，传统钝化膜(TiO₂为主)在机械磨损和体液侵蚀下易失效，而现有表面改性技术如离子注入、酸蚀刻等往往难以兼顾精度与效率。

来自莫特ilal Nehru国家技术学院的研究团队独辟蹊径，采用光纤激光打标机在0.2mm超薄NiTi片上刻蚀出蜂窝(HC)和方形(S)两种创新微图案，通过调控纹理密度（低密度HC-l:25%、S-l:18%；高密度HC-h:50%、S-h:36%），在保留基材性能的前提下显著提升表面特性。这项发表于《Applied Surface Science》的研究揭示：高密度织构不仅创造了更亲水的表面（接触角降低至80.1°），更在模拟体液(SBF)中形成稳定的钝化层（开路电位OCP达-0.18?V），其阻抗值(2.48×10⁵?Ωcm²)较原始样品提升15倍。

研究团队运用三大关键技术：1）光纤激光标记系统实现微米级精度的表面织构；2）电化学工作站进行开路电位(OCP)、电化学阻抗谱(EIS)和动电位极化(PDP)测试；3）X射线光电子能谱(XPS)解析表面化学状态。所有实验均在模拟人体环境的合成唾液(SS)和模拟体液(SBF)中进行，确保临床相关性。

研究结果精要
• 表面形貌调控
激光织构在50μm间距的网格交点处形成微米级突起，高密度样品(HC-h/S-h)因更密集的熔融-再凝固过程产生连续保护层。这种"脊-谷"结构增大了比表面积，为后续钝化膜形成奠定基础。

• 润湿性转变
接触角测试显示纹理密度与亲水性呈正相关：高密度组接触角(80.1°-81.5°)显著低于S-l(85.2°)，这种变化源于表面氧化物和有机物的协同吸附效应。

• 电化学性能突破
在SBF中，HC-h的OCP(-0.18?V)比原始样品正移0.12?V，表明更快的钝化膜形成速率。EIS数据证实，所有织构样品的阻抗模值均突破10⁵?Ωcm²，其中S-h在SS中的相位角接近-80°，暗示近乎理想的电容行为。

• 表面化学分析
XPS深度剖析揭示三重保护机制：最外层为吸附的有机化合物，中间层是致密的TiO₂矩阵，底层则分布着Ti₂O₃和NiO。这种梯度结构有效阻隔了镍元素的迁移。

结论与展望
该研究通过创新的激光织构策略，在超薄NiTi表面构建出具有仿生特征的微结构，其核心突破在于：1）首次定义"纹理密度"参数实现表面性能定量调控；2）发现高密度织构促进TiO₂/NiO混合氧化膜的原位生长；3）验证SS和SBF中腐蚀机制的差异性。Mariam Maroof等人的工作不仅为牙科植入物等薄壁器械的表面工程提供新思路，更启示未来可探索纹理几何参数（如突起高度/间距比）与细胞粘附的构效关系。值得注意的是，研究中采用的<200nm浅表层改性技术，完美规避了传统激光熔覆导致的基体性能劣化，这种"表面精修"理念值得在其它生物金属中推广。