增材制造与机械加工钛合金表面喷砂酸蚀处理对成骨细胞粘附的影响及储存条件优化研究

这篇研究深入探讨了喷砂（SB）和酸蚀（AE）处理对增材制造（AM）与机械加工（MM）钛合金（Ti-6Al-4V/cp-Ti）表面形貌、润湿性及成骨细胞相容性的影响。通过对比2 bar与6 bar喷砂压力及不同储存条件（空气/NaCl溶液），发现SAE处理可显著调控表面粗糙度（Sa值），而储存环境直接影响亲水性（接触角）和细胞行为。研究为优化植入体表面处理工艺及临床储存方案提供了关键数据支持。

　　

引言

钛合金因其优异的生物相容性和骨整合能力，成为牙科和骨科植入体的首选材料。随着增材制造（AM）技术的普及，复杂个性化植入体的生产成为可能，但AM构件的高表面粗糙度需通过喷砂（SB）和酸蚀（AE）等后处理优化。本研究系统比较了AM（Ti-6Al-4V）与机械加工（MM，cp-Ti）钛合金经不同喷砂压力（2 bar vs. 6 bar）及酸蚀后的表面特性，并探讨了储存条件（空气/NaCl）对成骨细胞行为的影响。

材料与方法

样本制备：AM样本通过激光粉末床熔融（LPBF）技术制造，经1050°C热处理消除残余应力；MM样本由精密切割钛棒制成。两组样本均进行喷砂（110 μm Al₂O₃颗粒）和酸蚀（H₂SO₄:HCl=1:2，90°C，10分钟），随后分置于空气或0.9% NaCl溶液中储存6周。

表面表征：光学轮廓仪测量粗糙度（Sa），扫描电镜（SEM）观察形貌，接触角仪评估润湿性。

生物学实验：原代人成骨细胞培养24小时后，通过共聚焦显微镜（CLSM）分析细胞形态/粘附，乳酸脱氢酶（LDH）检测膜完整性。

结果

表面粗糙度：AM样本初始粗糙度高达9.64 μm，喷砂后降至3.84-5.32 μm；MM样本则从0.46 μm增至2.17-2.57 μm。酸蚀对粗糙度影响微弱，但引入微米级凹坑结构（SEM显示）。

润湿性：所有样本酸蚀后呈超亲水性（接触角≈0°），但空气储存6周后接触角升至67.9-83.8°（AM更高），NaCl储存则保持亲水性。

细胞响应：

• 无储存组：成骨细胞展现最佳粘附与伸展形态（CLSM显示完整肌动蛋白网络），LDH活性<20%。

• 空气储存组：细胞粘附减少50%以上（AM更显著），LDH活性接近毒性阈值（20%）。

• NaCl储存组：细胞形态轻微扩散，粘附无统计学差异，但Na⁺/Cl^-沉积可能干扰细胞行为。

讨论

表面处理效应：喷砂压力主导粗糙度变化，而酸蚀通过微米级纹理增强细胞锚定位点。AM与MM样本经SAE后表面特性趋近，但AM残留的Al₂O₃颗粒（EDX证实）未显著影响细胞相容性。

储存条件的关键作用：空气储存导致烃类吸附（接触角升高），而NaCl通过稳定羟基延缓疏水化，但离子沉积可能降低生物活性。AM样本对储存更敏感，提示临床需缩短处理-植入间隔。

结论

SAE处理可有效协调AM/MM钛植入体的表面特性，但储存条件（尤其是空气暴露）会显著削弱其生物活性。未来需探索更稳定的储存方案（如真空包装）及复杂几何植入体的表面优化策略，以充分发挥AM技术在个性化医疗中的潜力。