超声空化纯水处理在纯钛表面构建强钝化梯度纳米结构的绿色新方法及其生物医学应用

针对小尺寸医疗器械表面纳米结构化和钝化膜增厚的技术难题，研究人员通过超声空化纯水处理(SUCT)在纯钛表面构建了10 μm厚梯度纳米结构、8-10倍于自然厚度的致密钝化膜及微米级多孔形貌。该表面展现出显著提升的耐刮擦性、模拟体液腐蚀抗性和细胞培养性能，为生物医用金属表面改性提供了绿色解决方案。

　　

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在生物医学领域，钛及其合金因优异的生物相容性被广泛用于骨科植入物和牙科修复体。然而现有技术面临两大瓶颈：传统机械变形法难以处理微小器件表面；自然形成的钝化膜仅5 nm厚且易脱落，而酸性处理等方法又无法突破10 nm厚度极限。更棘手的是，表面形貌与钝化性能往往相互制约——粗糙表面利于细胞附着却会破坏钝化层，致密钝化膜又阻碍原子扩散难以增厚。

针对这些矛盾，燕山大学冷轧装备与技术国家工程研究中心的Xin Wang团队在《Nano Materials Science》发表创新研究。他们另辟蹊径地利用看似温和的纯水，通过超声空化产生的极端条件，在?0.3 mm微小钛表面同步实现了梯度纳米结构、超厚钝化膜和可控多孔形貌的"三位一体"改性。

研究采用三大关键技术：1）自主设计的超声空化处理系统（频率20 kHz±100 Hz，声强38.2 W cm^-2）；2）高分辨透射电镜（HRTEM）和X射线光电子能谱（XPS）联用表征钝化膜结构；3）通过纳米划痕测试、电化学分析和MC3T3细胞培养多维度评价性能。

表面形貌与结构演变

30分钟处理使表面粗糙度（Ra）从初始0.028 μm激增至2.829 μm，形成梯度纳米结构层（约10 μm厚）。TEM显示层内存在150 nm厚片层结构，选区衍射（SAED）呈现连续环状花样，证实晶粒纳米化随机取向。

钝化膜特性突破

XPS证实钝化膜以TiO₂为主（Ti⁴⁺2P_3/2结合能458.6 eV），厚度达20-50 nm（自然氧化层仅5 nm）。HRTEM首次观察到常温下形成的结晶态金红石结构（[211]晶带轴），这通常需600°C以上热处理才能获得。

性能全面提升

纳米划痕测试显示，0.5 mN载荷下划痕深度减少50%（45.4 nm vs 88.5 nm）。在模拟体液中，腐蚀电流密度（I_corr）降低两个数量级（3.56×10^-9 vs 8.28×10^-7 A cm^-2）。MC3T3细胞培养显示细胞核数量增加1.5倍且骨架更完整。

研究揭示了空化气泡内产生5000K高温和1000倍大气压的极端条件，通过微射流（120 m/s）诱发塑性变形，同时使水进入超临界状态（T_c=647K，P_c=22.83MPa）产生活性氧自由基。这种"机械-化学协同效应"突破了传统表面处理的局限，为生物医用微小器件表面工程开辟了新途径。该技术无需复杂设备、避免化学污染，在骨科微创植入物和牙科种植体领域具有重大应用前景。