钛基微弧氧化涂层上水合硅酸钙纳米结构的自润滑与增强耐磨抗腐蚀性能研究

针对钛(Ti)基植入体纳米涂层易脆裂、磨损碎屑引发炎症反应等问题，研究人员通过水热法(HT)在微弧氧化(MAO)钛表面构建水合硅酸钙纳米结构(CSHNs)，获得兼具自润滑(摩擦系数≤0.2)、高耐磨和耐腐蚀性能的微纳复合涂层。该研究为延长植入体服役寿命提供了创新解决方案。

　　

钛及其合金因其优异的生物相容性和力学性能，已成为骨科和牙科植入体的首选材料。然而，传统钛基植入体表面在长期服役过程中面临严峻挑战：纳米涂层易发生脆性断裂，产生的磨损碎屑可能引发慢性炎症反应，导致骨吸收和植入体松动。这一"磨损-炎症-失效"的恶性循环严重制约着植入体的长期稳定性。

为解决这一难题，国内某研究机构团队创新性地将微弧氧化(MAO)技术与水热法(HT)相结合，在钛表面构建了具有层状晶体结构的水合硅酸钙纳米结构(CSHNs)。研究发现，适度生长的CSHNs使MAO涂层摩擦系数降至≤0.2，展现出显著的自润滑特性。这种特性源于CSHNs的层状结构在摩擦过程中产生的滑移效应。同时，结晶度的提高使涂层腐蚀电流密度降低一个数量级，显著增强耐蚀性。但研究也发现，过长的水热处理时间会导致CSHNs过度生长，引发MAO涂层开裂，反而降低防护性能。

该研究主要采用三项关键技术：1)微弧氧化(MAO)制备多孔钛氧化物基底；2)水热法(HT)调控CSHNs生长；3)通过球-盘摩擦试验和电化学测试分别评估耐磨/润滑性能和耐腐蚀性。

研究结果揭示：

1. 结构表征：X射线衍射证实CSHNs具有典型层状硅酸盐结构，扫描电镜显示其呈纳米片状垂直生长于MAO涂层孔隙内。
2. 摩擦学性能：最优HT样品(160°C/6h)在干摩擦条件下摩擦系数稳定在0.15-0.2，磨损率较纯MAO涂层降低83%。
3. 腐蚀行为：极化曲线测试显示CSHNs/MAO复合涂层的腐蚀电流密度(I_corr)为1.7×10^-8 A/cm²，较基体降低两个数量级。
4. 机制分析：CSHNs的润滑效应归因于其(001)晶面的易剪切特性，而增强的耐蚀性源于致密结晶层对电解质的屏障作用。

这项发表于《Smart Materials in Manufacturing》的研究具有双重意义：在理论上，首次揭示了CSHNs作为固体润滑剂在生物材料中的应用潜力；在实践上，为开发"抗磨损-耐腐蚀"一体化的钛基植入体涂层提供了新思路。特别值得注意的是，该技术仅通过工艺参数调整即可实现性能调控，具有工业化应用的可行性。未来研究可进一步探索CSHNs的生物学效应，推动其向临床转化。