低电压阳极氧化TiO2层在Ti45Nb合金表面的润湿性与抗菌性能研究及其植入应用前景

本研究针对植入体表面细菌感染和骨整合不足的问题，通过低电压阳极氧化（AO）技术在Ti45Nb合金表面构建TiO2涂层。研究发现25V电压下制备的涂层对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抑制率分别达93.3%和96.7%，且亲水性随电压升高而增强。该研究为开发兼具优异抗菌性能和生物相容性的钛合金植入体提供了新策略。

　　

在全球范围内，细菌感染仍是导致植入手术失败的主要因素之一，每年有数百万患者因植入体相关感染面临二次手术的风险。钛及其合金虽已成为骨科和牙科植入体的首选材料，但传统Ti6Al4V合金中的钒元素存在细胞毒性风险，且钛表面天然的生物惰性会导致骨整合不足。更严峻的是，植入体表面一旦形成细菌生物膜，就可能导致灾难性的感染后果。为此，研究者们将目光投向新型β型钛合金——Ti45Nb合金，这种合金不仅具有更接近骨骼的弹性模量，而且铌元素的加入增强了其钝化行为。然而，如何同时提升其抗菌性能和生物活性，仍是当前研究的难点。

针对这一挑战，土耳其吉雷松大学的研究团队在《Scientific Reports》发表了一项创新研究，他们采用低电压阳极氧化（Anodic Oxidation, AO）技术在Ti45Nb合金表面构建二氧化钛（TiO₂）涂层，系统研究了其表面特性、润湿性及抗菌性能。该研究首次报道了在100V以下低电压条件下制备的TiO₂涂层对革兰氏阴性菌（大肠杆菌）和革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌）的协同抑制机制。

研究采用DC电源在含氟化铵和硫酸铵的电解液中对Ti45Nb基体进行阳极氧化，电压范围25-100V，后续通过450°C热处理促进非晶向锐钛矿相转变。通过X射线衍射（XRD）、显微拉曼光谱（Micro-Raman）、扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDX）表征涂层相组成和微观结构，采用坐滴法测量接触角并计算表面自由能（SFE），通过菌落计数法评估对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌性能。

相结构与成分分析

XRD谱图显示未涂层Ti45Nb仅存在β-Ti相，而AO涂层样品中出现了锐钛矿型TiO₂（Anatase）和金红石型TiO₂（Rutile）的特征峰，且氧化物峰强度随电压升高而增强。拉曼光谱进一步证实了锐钛矿相的存在（特征峰位于141、398、525和640 cm^-1），且峰形随电压升高变得尖锐，表明结晶度改善。

表面形貌与元素分布

SEM图像显示未涂层合金存在磨痕痕迹，而AO涂层表面形成纳米/微米级多孔和裂纹结构。孔隙尺寸随电压升高而增大，75V和100V时出现局部薄膜解体现象。EDX mapping证实Ti、Nb、O元素均匀分布，且氧含量随电压升高而增加（从25V的34.2%升至100V的47.1%），相反钛和铌元素占比下降。

润湿性行为

接触角测量表明所有表面均呈现亲水性（接触角<90°），且亲水性随电压升高而增强：未涂层合金接触角为61.4°，而100V涂层降至28.2°。表面自由能（SFE）相应从36.1 mJ/m2升至57.6 mJ/m2。这种变化归因于TiO₂表面羟基基团增多，增强了与水分子的氢键作用。

抗菌性能

菌落计数显示AO涂层对两种细菌的黏附均显著抑制，且抑制效果与电压呈负相关。25V涂层表现最佳，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率分别达93.3%和96.7%。值得注意的是，抗菌效果与润湿性变化趋势相反（亲水性越高，抗菌性越低），说明除了表面能效应外，锐钛矿相的光催化抗菌机制也发挥重要作用。

该研究通过系统表征证实，低电压阳极氧化可在Ti45Nb合金表面成功构建结晶型TiO₂涂层，其多孔结构和锐钛矿相构成协同抗菌体系。特别值得注意的是，25V条件下制备的涂层展现出最优的抗菌性能，这对植入体表面改性工艺的节能化具有重要意义。研究首次揭示了低电压AO涂层对Ti45Nb合金的抗菌作用规律，为设计兼具低弹性模量、良好骨整合性和高效抗菌性的新一代钛合金植入体提供了实验依据。未来研究可进一步探索涂层孔径调控、光催化激活方式以及与成骨细胞的相互作用机制，推动该技术向临床应用转化。