等离子体电解氧化法制备硼掺杂TiO2涂层提升Ti45Nb合金的摩擦腐蚀与抗菌性能研究

本研究针对Ti45Nb合金在生物医学应用中存在的摩擦腐蚀和抗菌性能不足的问题，通过等离子体电解氧化（PEO）技术成功制备了硼（B）、钙（Ca）和磷（P）共掺杂的TiO2涂层。研究揭示了硼含量对涂层结构、摩擦腐蚀性能及抗菌活性的调控作用，为开发兼具力学性能和生物功能性的骨科植入材料提供了新策略。

　　

研究背景与意义
钛合金因其优异的生物相容性和力学性能成为骨科植入物的首选材料，但临床应用仍面临两大挑战：一是动态接触环境下的摩擦腐蚀（tribocorrosion）导致材料降解和毒性离子释放，二是细菌感染引发的植入失败。Ti45Nb作为一种低弹性模量的β-Ti合金，虽能缓解应力屏蔽效应，但其耐磨性和抗菌性能不足限制了在关节置换等动态场景的应用。传统表面改性技术如物理气相沉积（PVD）难以实现多元素协同掺杂，而等离子体电解氧化（PEO）因其独特的放电特性，可在TiO₂基涂层中嵌入功能性离子（如B、Ca、P），为多功能涂层设计提供了新思路。

研究方法与技术路线
土耳其科学团队通过PEO技术在Ti45Nb表面制备了不同硼含量的Ca-P-B共掺杂TiO₂涂层。采用X射线衍射（XRD）分析相组成，X射线光电子能谱（XPS）和能量色散光谱（EDS）验证元素分布，扫描电镜（SEM）观察形貌特征。摩擦腐蚀测试在模拟体液（SBF）中完成，抗菌实验选用金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）等病原体评估性能。

研究结果与发现

1. 涂层结构与成分
   XRD证实涂层以锐钛矿（Anatase）和金红石（Rutile）相TiO₂为主，XPS检测到B以B-O键形式存在。SEM显示多孔结构有利于细胞附着，硼含量增加使孔径分布更均匀。

2. 摩擦腐蚀性能
   含硼涂层的磨损率比未掺杂组降低40%，电化学阻抗谱（EIS）显示腐蚀电流密度下降2个数量级。硼通过形成致密氧化物层抑制SBF中的协同降解效应。

3. 抗菌机制
   0.5wt%硼掺杂涂层对金黄色葡萄球菌的抑菌率达92%，高于临床常用银涂层（85%）。研究提出B-O基团产生活性氧（ROS）是主要杀菌途径。

结论与展望
该研究首次系统阐明了硼含量对PEO涂层摩擦腐蚀-抗菌双功能性能的调控规律：适量硼（0.3-0.5wt%）可协同提升涂层的耐磨性（磨损体积减少35%）、腐蚀阻抗（|Z|_0.01Hz提高10⁴ Ω·cm²）和抗菌活性（抑菌率>90%）。其创新性在于通过单一元素掺杂实现“力学-生物”性能耦合，为下一代抗感染骨科植入材料开发提供了理论依据。成果发表于《Applied Surface Science》，对推动表面功能化技术在生物医学领域的应用具有重要参考价值。