锰掺杂45S5生物活性玻璃涂层在Ti6Al4V植入体中的制备与性能研究：提升骨整合与耐腐蚀性的新策略

本研究针对Ti6Al4V骨科植入物生物活性不足及金属离子释放问题，通过溶胶-凝胶法制备锰掺杂45S5生物活性玻璃（MBG）涂层，显著提升材料亲水性（接触角降低80%）、抑制铝离子释放（减少66%），并促进羟基磷灰石（HAp）形成。电化学测试表明涂层有效降低腐蚀倾向，为兼具生物相容性与力学性能的骨科植入材料开发提供新思路。

　　

钛合金Ti6Al4V因其优异的力学性能和耐腐蚀性被广泛应用于骨科植入领域，但天然钛合金表面生物活性不足，且长期植入后可能释放铝（Al）、钒（V）等有毒金属离子。尽管45S5生物活性玻璃（BG）涂层能改善钛合金的生物活性，但其机械性能与离子释放调控仍需优化。锰（Mn）作为人体必需微量元素，不仅参与骨代谢，还具有抗菌特性，这为开发多功能植入材料提供了新思路。

为探索锰掺杂对生物活性玻璃性能的影响，研究人员通过溶胶-凝胶法合成1%锰掺杂45S5生物玻璃（MBG），并采用浸渍涂覆技术将其应用于经阳极氧化的Ti6Al4V表面。通过FTIR、SEM、EDS、XRD等技术系统表征材料特性，结合电化学测试（EIS、极化曲线）和体外模拟体液（SBF）浸泡实验评估其生物相容性与耐腐蚀性。论文发表在《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》。

关键实验方法

1. 阳极氧化处理：Ti6Al4V在1 M H₂
   SO₄
   中以60 V电压氧化1分钟，形成TiO₂
   纳米管增强涂层附着力。
2. 溶胶-凝胶合成：以TEOS（正硅酸乙酯）、TEP（磷酸三乙酯）为前驱体，Ca(NO₃
   )₂
   ·4H₂
   O中4%钙被Mn(NO₃
   )₂
   ·4H₂
   O替代，最终产物含1% Mn。
3. 浸渍涂覆：添加3%海藻酸钠防止开裂，以5 cm/min速度重复浸涂3次，600°C烧结5小时。
4. 体外测试：SBF浸泡21天监测pH、Ca²⁺
   浓度及离子释放，SEM/EDS分析HAp形成。

研究结果
3.1 粉末与涂层的结构表征
锰掺杂使BG颜色由白变棕，平均粒径从920 nm降至460 nm，结晶度降低（XRD峰强度减弱）。SEM显示MBG涂层孔隙更大（22.54±9.58 μm vs BG的8.9±2.9 μm），归因于Mn²⁺
催化海藻酸钠热解产气。

3.2 润湿性分析
涂层使接触角从90.12°（未涂层）降至14.96°（BG）和16.42°（MBG），表面粗糙度（Ra）提升10倍，形成超亲水表面，利于细胞粘附。

3.3 生物活性与离子释放
MBG涂层样品在SBF中表现出：

• 最快HAp形成速率：21天后Ca/P比达1.59（BG为1.48，未涂层1.37）
• 铝离子释放减少66%（0.03 mg/L vs 未涂层0.09 mg/L）
• 钒释放量较BG涂层低11%（0.33 mg/L vs 0.38 mg/L）

3.4 腐蚀行为
极化测试显示MBG涂层腐蚀电流密度（7.943×10^-9
A/cm²
）高于BG涂层（1.258×10^-9
A/cm²
），EIS总电阻为606 kΩ·cm²
（BG涂层3.1 MΩ·cm²
），归因于Mn掺杂导致的晶格应力（残余应力为BG涂层的2.18倍）和孔隙率增加。

结论与意义
该研究首次将锰掺杂45S5生物玻璃涂层应用于Ti6Al4V植入体，通过多重机制协同提升性能：

1. 生物活性优化：Mn掺杂降低结晶度与粒径，加速离子交换，促进HAp沉积（Ca/P比提升7.4%）；
2. 安全性提升：双重抑制有害离子释放（Al³⁺
   低于毒性阈值100 μg/L，V释放量减少11%）；
3. 临床适配性：超亲水表面（接触角<20°）与多孔结构（>20 μm孔隙）协同促进骨组织长入。

尽管Mn掺杂略微降低耐腐蚀性，但其在促进骨代谢、抗菌和免疫调节方面的生物学优势，使其成为骨科植入材料功能化改性的理想选择。该研究为开发兼具力学强度与生物活性的新一代钛合金植入体提供了重要实验依据。