Ta–Ti–Zr同时合金化提升316 L不锈钢耐蚀性与体外细胞相容性：钝化膜化学的作用

《Materials Today Communications》：Improved corrosion resistance and in vitro cytocompatibility of Ta–Ti–Zr-modified 316 L stainless steel: the role of passive film chemistry

　　

316 L不锈钢广泛用作骨科和牙科植入物的生物材料；然而，其在生理环境中的长期性能可能受金属离子释放和局部腐蚀限制。本研究中，研究人员考察了同时引入钽（Ta）、钛（Ti）和锆（Zr）对316 L不锈钢耐腐蚀性和体外细胞相容性的影响。改性合金通过感应熔炼制备，经950 °C固溶处理，并采用X射线衍射（XRD）、带能量色散谱（EDS）的扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）表征。电化学行为通过电化学阻抗谱（EIS）和动电位极化在Kokubo模拟体液（SBF）中评价；生物响应通过MTT（四唑盐还原法）和Alamar Blue（刃天青还原法）试验与SaOS-2成骨细胞评估。改性合金呈以γ-奥氏体为主的显微组织，含少量Ta–Si富集第二微组元。电化学结果显示腐蚀电流密度降低402倍，由1.75降至4.36×10^?3 μA·cm^?2，腐蚀电位正移346 mV。阻抗谱显示改性合金极化电阻高两个数量级以上，有效电容与介电屏障一致，而非活性溶解表面的双电层；钝化电流密度降低三个数量级，由15.2降至0.015 μA·cm^?2。XPS分析显示钝化膜以Cr(III)和Ta(V)物种为主，与稳定氧化层形成一致。体外试验证实两种材料均具有细胞相容性，而改性合金在48 h显著提高细胞活力（p < 0.01），表明有利的增殖响应。总体而言，结果证明同时引入Ta、Ti和Zr改善316 L不锈钢的电化学稳定性和生物学性能，突显其生物医学应用潜力。

研究背景与问题：316 L不锈钢因成本相对较低、可加工性良好和力学性能合适而广泛用于骨科与牙科植入物，但生理环境中的金属表面与体液电化学环境相互作用可导致钝化膜（passive film，表面保护性氧化物/氢氧化物层）局部降解，促进铁、铬、镍等金属离子释放；这些离子与炎症反应、过敏反应及潜在细胞毒性相关，因此需要提高其电化学稳定性和生物相容性。TiN、Ta₂O₅、ZrO₂等陶瓷涂层可作腐蚀和离子释放屏障，但长期稳定性可能受分层等降解限制。合金化稳定钝化膜是替代策略：Ta形成高稳定Ta₂O₅，Ti和Zr形成TiO₂和ZrO₂，具有化学稳定性和生物相容性。Gülsoy et al.曾报道Zr、Nb、Ti加入316 L改善耐蚀性和生物相容性，但既有研究多集中于单独加入或表面涂层，Ta、Ti、Zr同时加入316 L基体的联合效应信息有限。研究者据此提出假设：同时引入Ta、Ti、Zr促进形成富Cr和Ta氧化物的更稳定保护性钝化膜，从而增强耐蚀性和生物响应；并在Kokubo模拟体液（SBF，模拟血浆离子组成的电解质）中结合电化学、结构与表面表征及SaOS-2成骨细胞体外评价，比较316LTaTiZr与316 L，建立成分、钝化膜稳定性和细胞相容性的关联。

研究开展与总体结论：研究人员基于热力学计算选择DH2B成分，经感应熔炼、950 °C固溶处理和水淬，获得以γ-奥氏体（面心立方）为主、含少量Ta–Si富集枝晶间微组元的改性合金；在SBF中采用电化学阻抗谱（EIS）和动电位极化评价腐蚀行为，并以SaOS-2细胞进行MTT、Alamar Blue和SEM黏附评价。结果表明，316LTaTiZr较316 L具有更高腐蚀电位、更低腐蚀电流密度、更高极化电阻和显著更低钝化电流密度，XPS显示钝化膜以Cr(III)和Ta(V)为主；两种材料均细胞相容，改性合金在48 h显著提高细胞活力。其意义在于证明Ta、Ti、Zr同时合金化可改善316 L电化学稳定性和早期细胞响应，显示生物医学应用潜力；但原文强调这属于早期体外细胞相容性和初始细胞–材料相互作用，并非已证明临床生物相容性或骨整合。

关键技术方法（不超过250字）：以Thermo-Calc（TCFE9数据库）进行相分数-温度热力学计算以设计成分和热处理；DH2B经真空感应熔炼、950 °C固溶和水淬；采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜-能量色散谱（SEM-EDS）、衰减全反射傅里叶变换红外光谱（FTIR-ATR）和X射线光电子能谱（XPS）表征；在按Kokubo配方配制的模拟体液（SBF）中以三电极体系进行EIS和动电位极化；以SaOS-2人成骨细胞系进行MTT、Alamar Blue及SEM黏附观察。

研究结果：
3.1 成分选择与热处理依据：通过Thermo-Calc计算DH2A、DH2B、DH3A的相体积分数随温度变化，DH2B在宽温区以γ-奥氏体为主，σ和Laves型金属间相仅出现在受限温区，故选择DH2B及950 °C固溶和快冷以抑制扩散控制相变。
3.2 金相分析：3.2.1 定性描述：光学显微显示316 L为均匀单相奥氏体，316LTaTiZr为较均匀奥氏体基体，蚀刻显示枝晶形态和成分微偏析，但无粗大或连续金属间相。3.2.2 相定量：按ASTM E562点计数（N=117）得奥氏体体积分数90.6%，95%置信区间85.3–95.9%，支持γ相占主导。
3.3 X射线衍射分析：XRD显示316LTaTiZr以γ-奥氏体（FCC，PDF 00-031-0619）为主，主要峰对应(111)、(200)、(220)、(311)、(400)，低强度峰对应Fe–Si–Ta富集金属间相Fe₂(Si_0.2Ta_0.8)（PDF 01-082-6660）；半定量γ约90.2%、该相约9.8%，未见σ相峰，与金相90.6%一致。
3.4 BSE-SEM与EDS分析：3.4.1 EDS面扫平均成分：分析区以Fe、Cr、Ni为主，Ta平均10.1 wt.%，Ta为第二相形成的主要驱动元素，Ti和Zr含量低且无明显偏析。3.4.2 成分分割：以Si/Ta比和Fe信号将区域分为Fe–Cr–Ni奥氏体基体与Ta–Si富集域，后者与BSE亮区空间对应。3.4.3 EDS线扫：跨域线扫显示Ta和Si升高而Fe、Cr、Ni降低，呈连续过渡，指示凝固微偏析而非大颗粒；结论为连续奥氏体基体含不连续Ta–Si富集微组元，有利于限制强电化学不均一。
3.5 耐蚀性：在SBF中，316 L的开放电路电位在最初10 min内骤降405 mV后进入较低且噪声较大的稳态，改性合金仅漂移11 mV并单调正移；EIS显示316 L低频相角回到2°、弧闭合，改性合金10^?2 Hz相角为76°、模量斜率?0.89，呈近理想阻挡介电行为，极化电阻不低于2.66×10⁶ Ω·cm²，较316 L的2.19×10⁴ Ω·cm²高两个数量级以上；有效电容7.24对27.39 μF·cm^?2，CPE指数0.901对0.778。极化显示改性合金E_corr为?219.9 mV、316 L为?566.3 mV，正移346 mV；i_corr由1.75降至4.36×10^?3 μA·cm^?2，降402倍；钝化电流由15.2降至0.015 μA·cm^?2，降三个数量级；改性合金直接钝化、无活化控制阳极区，阴极斜率?79 mV·dec^?1对应电荷转移控制，316 L的?260 mV·dec^?1指示混合控制并有氧传输贡献；316 L开放电路电位噪声2.711 mV、改性合金0.017 mV。结论为两者差异是界面状态制度差异，Ta₂O₅绝缘屏障同时抑制离子传输和界面电子转移。
3.6 体外细胞响应：3.6.1 MTT细胞活力：SaOS-2细胞在24、48、72 h均高于ISO 10993-5的70%阈值；24 h无显著差异，48 h改性合金143.09%显著高于316 L的77.50%（p < 0.01），72 h趋于接近（92.58%对91.41%），双因素ANOVA显示材料、时间和交互作用显著，结论为改性合金促进中期增殖。3.6.2 Alamar Blue增殖与代谢活性：荧光强度随时间增加，24 h两种材料低于对照，48 h改性合金略高于316 L，72 h接近对照且无显著差异，支持MTT结果。3.6.3 SEM细胞黏附：培养72 h后316 L上细胞有铺展但存在较紧凑形态，改性合金上细胞铺展更一致、边界更连续、周边突起更多且局部定植更均匀，指示更稳定的细胞–材料相互作用。
3.7 FTIR光谱：SBF暴露后FTIR-ATR（n=3）显示O–H伸缩约3400 cm^?1、H–O–H弯曲约1640 cm^?1、碳酸根ν₃约1450 cm^?1以及磷酸根ν₃和ν₁在1030–1100和960 cm^?1；改性合金磷酸相关信号更明显，<800 cm^?1金属–氧振动重叠；结论为形成含水合碳酸盐/磷酸盐界面层，改性合金对Ca–P掺入的表面反应性较强，但FTIR不能确证磷灰石形成。
3.8 XPS：SBF暴露后XPS显示表面以氧化物物种为主，O 1s主组分为–OH/M–OH（52.54%），Ta 4f双峰约26.7和28.6 eV对应Ta(V)/Ta₂O₅且无金属Ta，Cr 2p对应Cr(III)，Ca 2p显示Ca²⁺；结论为钝化膜为水合混合氧化物/氢氧化物层，以Cr(III)和Ta(V)为主并含钙相关物种，支持稳定保护膜及早期Ca–P相互作用。

讨论部分总结：讨论强调316 L在SBF中空气形成膜于数分钟内被氯离子击穿，随后呈活性–钝化响应、亚稳点蚀和双电层电容；改性合金不发生该击穿，直接钝化，界面呈介电屏障，Ta₂O₅的宽禁带绝缘特性可同时解释离子传输抑制和界面电子转移抑制，阴极反应由316 L的混合控制（含明显氧传输贡献）转为电荷转移控制。EIS与Stern–Geary关系对照具有一定一致性（316 L差8%，改性合金比值3.2）；两个改性试样差异被解释为不连续Ta–Si富集微组元在圆片截面上的分布不同所致，但仅两试样，故属解释而非证明。讨论还指出生物相关量是钝化电流密度而非仅i_corr，因钝化表面金属离子释放受钝化电流控制，改性合金低三个数量级为细胞活力提高提供更大离子释放边际；体外结果仅证明早期细胞相容性和有利初始相互作用，后续需ICP-OES/MS离子释放、蛋白吸附、碱性磷酸酶活性和基质矿化等评价。

研究结论部分翻译：将Ta、Ti、Zr同时引入316 L不锈钢并结合950 °C固溶处理和快速冷却，得到以γ-奥氏体为主的显微组织，少量Ta–Si富集微组元局限于枝晶间区域；该成分与组织设计有效限制有害金属间相形成并保持基体连续性。在Kokubo模拟体液中的电化学评价表明，316LTaTiZr合金较传统316 L具有改善的耐蚀性：腐蚀电位正移346 mV，腐蚀电流密度降低402倍，极化电阻高两个数量级以上。差异体现为界面状态制度而非程度：传统316 L在浸泡最初数分钟内脱钝，随后维持带亚稳点蚀活性的活性–钝化响应及接近裸表面的双电层电容；改性合金直接钝化，无活化控制阳极区，钝化电流密度约低千倍，界面响应符合介电屏障。与此一致，阴极反应由316 L上含显著氧传输贡献的混合控制转为改性合金上的电荷转移控制。XPS结果支持该行为，显示Cr(III)和Ta(V)存在，后者与Ta₂O₅相关，其绝缘特性同时解释离子传输和界面电子转移的抑制。体外生物响应证实两种材料均细胞相容，但316LTaTiZr合金表现出增强的生物学性能，包括更高细胞活力、中间暴露时间更好的代谢活性以及更一致的细胞黏附形态。总体而言，基于Ta、Ti、Zr的共合金化策略有效改善电化学稳定性和生物响应，突显316LTaTiZr合金作为需要增强耐蚀性和有利早期细胞–材料相互作用的生物医学应用候选材料的潜力。