电子束沉积氧化钇稳定氧化锆薄膜对Ti6Al4V合金的物理化学性能优化及其生物医学应用研究

本研究针对钛合金植入体表面性能不足的问题，通过电子束沉积技术制备470 nm厚的Y-TZP（氧化钇稳定氧化锆）薄膜，显著提升Ti6Al4V合金的显微硬度（44%耐磨性改善）和生物相容性（接触角优化），为骨科植入物抗纤维化设计提供新策略。

　　

研究背景与意义
在骨科植入物领域，钛合金Ti6Al4V因力学性能优异被广泛应用，但其表面易引发纤维包裹反应，且耐磨性不足可能导致聚乙烯磨损碎屑（UHMWPE）引发炎症。氧化锆（ZrO₂）陶瓷因其生物惰性和高硬度成为理想涂层材料，但传统方法难以实现纳米级均匀沉积。巴西卡西亚斯杜苏尔大学（UCS）团队通过电子束沉积技术，首次在Ti6Al4V表面制备470 nm非晶态氧化钇稳定氧化锆（Y-TZP）薄膜，为解决上述问题提供创新方案。

关键技术方法
研究采用电子束蒸发沉积（EB-PVD）制备Y-TZP薄膜，通过X射线荧光测厚（470 nm）；使用Berkovich压头进行仪器化显微硬度测试（载荷2,000 mN）；Calotest设备进行旋转球微磨损实验；ASTM D7334-08标准测量接触角；L929成纤维细胞间接活力试验评估生物相容性。

研究结果

1. 薄膜特性
   X射线分析证实薄膜为非晶态且化学计量比均匀，厚度470 nm与文献报道的医用涂层一致。

2. 机械性能

• 显微硬度提升：薄膜在2,000 mN载荷下虽出现微裂纹，但硬度显著高于基底。
• 耐磨性：微磨损实验显示耐磨性提高44%，优于未涂层Ti6Al4V。

1. 表面特性
   接触角数据表明薄膜具有更优润湿性，暗示促进骨细胞粘附的潜力。

2. 生物相容性
   L929细胞实验显示涂层材料无毒性，且细胞无法在薄膜表面粘附——这一特性可有效抑制植入物周围纤维化。

结论与展望
该研究证明电子束沉积Y-TZP薄膜能同步优化Ti6Al4V的机械性能（硬度+44%）和生物响应（抗纤维化），为骨科植入物表面改性提供新范式。未来需进一步研究长期体内稳定性及与骨组织的直接相互作用机制。论文发表于《Thin Solid Films》，通讯作者Cesar Aguzzoli（CNPq资助号304602/2022-1）强调该技术对降低关节假体翻修率具有重要意义。