钛表面磁控溅射沉积Nb及Ti-Nb薄膜并结合热处理提升生物活性研究

《Materials Chemistry and Physics》：Enhancing titanium bioactivity through surface engineering with niobium

　　

钛（Ti）及其合金被广泛应用于骨整合植入物，但其相对生物惰性的表面可能限制与周围生物环境的相互作用。因此，开发生物活性表面仍是生物材料工程领域的一项重大挑战。本研究通过磁控溅射沉积铌（Nb）及钛-铌（Ti-Nb）薄膜对钛表面进行改性，系统评价了Nb引入及后续热处理对表面理化、结构及生物学性能的影响。扫描电子显微镜与原子力显微镜结果显示，500–750°C热处理促进了晶粒生长并改变了表面粗糙度；X射线衍射分析表明存在相共存及随温度变化的晶态结构改变；接触角测量显示涂层表面呈亲水性，其润湿性特征有利于生物医学应用。采用MC3T3-E1前成骨细胞的体外实验显示细胞相容性良好，细胞活力保持在70%以上；此外，在14天与21天时碱性磷酸酶活性与细胞外基质矿化结果令人满意。尽管这些表面对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）未表现出直接抗菌活性，但这种抗菌中性被认为有利于维持种植体周围生物生态系统。总体而言，结果表明Nb与Ti-Nb涂层是改善钛基植入物生物活性与生物学性能的有前景的表面工程策略。

钛（Ti）及其合金因具有优异的力学性能、耐腐蚀性及生物相容性，被广泛用于骨整合牙科种植体，其性能主要依赖于表面自发形成的钝化二氧化钛（TiO₂）层。然而，种植多年后仍可能因骨整合不良或缺乏二次机械稳定性而出现临床并发症，且钛表面相对生物惰性限制了其与周围生物环境的相互作用。因此，如何将生物惰性表面转变为可主动与骨组织相互作用的生物活性表面，是生物材料工程的重要挑战。铌（Nb）因具有优异的耐腐蚀性、生物相容性（得益于Nb₂O₅钝化层形成）以及低于商业纯钛（cp-Ti）的杨氏模量而成为有前景的改性元素。基于此，研究人员采用磁控溅射技术在高纯钛基底上制备Nb与Ti-Nb薄膜，并考察沉积后热处理对薄膜形貌、理化及生物学性能的影响，以期在保持基体力学性能的同时赋予表面利于骨整合的特性。

研究人员在cp-Ti（Grade 4）圆片基底上，经打磨与酸蚀预处理后，采用磁控溅射系统沉积名义厚度300 nm的纯Nb（100Nb）与等原子比Ti50Nb50薄膜，并对部分样品在500°C或750°C下退火30 min，形成七组样品进行系统比较。主要关键技术方法包括：磁控溅射（magnetron sputtering）薄膜沉积及石英晶体微天平实时速率监控；场发射扫描电子显微镜与能谱分析（FE-SEM/EDS）表征形貌与化学成分；原子力显微镜（AFM）测定表面粗糙度参数（S_a、S_q）；座滴法接触角测量评价润湿性；掠入射X射线衍射（XRD）分析晶相结构；以及采用小鼠前成骨细胞MC3T3-E1开展的体外细胞活力（SRB法）、碱性磷酸酶（ALP）活性、茜素红矿化及改良Kirby–Bauer法抗金黄色葡萄球菌活性评价。研究所用细胞为商业细胞系，未涉及样本队列来源。

研究结果显示：在SEM与AFM分析中，热处理诱导晶粒长大与合并，500°C促进薄膜致密化与晶粒聚合，750°C接近钛同素异构转变温度（约882°C）时引发显著的膜-基体互扩散，各涂层表面粗糙度均显著高于cp-Ti。EDS分析表明，500°C退火使纯Nb膜致密化、削弱基底Ti信号逃逸，而750°C时Ti向表面迁移、Nb向内扩散形成双向互扩散。接触角测量显示所有表面保持亲水性（低于90°疏水阈值），100Nb初始接触角最低（38.5°±0.7°），Ti50Nb50-750C最高（63.6°±0.9°）。XRD分析表明沉积态涂层呈α（hcp）与β（bcc）相共存，随退火温度升高出现额外弱峰与2θ位移，提示可能形成正交α″相的多相结构演化。体外实验中，多数样品在3天时细胞活力低于对照，7天后差异不再显著；100Nb-500C与Ti50Nb50-500C在3天即达生物相容，7天时100Nb、100Nb-500C与Ti50Nb50-500C活力超过70%的ISO 10993-5阈值；ALP活性在细胞活力较高的样品中显著升高；矿化实验显示14天与21天多数组别与对照相当，21天时仅100Nb-500C与Ti50Nb50-500C维持与对照相当的矿化水平。抗菌实验显示所有样品对金黄色葡萄球菌均无抑菌圈，即无内在抗菌活性。

讨论与结论部分指出，薄膜形貌由沉积过程中原子迁移率及退火温度响应共同决定，与Thornton结构区模型及Photiou等的报道一致；500°C退火实现的受控厚度与均匀性可增强植入物保护屏障、稳定亲水性并优化生物活性，从而有利于细胞活力、ALP活性与骨整合；而缺乏抗菌活性被解释为"抗菌中性"，有利于避免局部毒性与炎症、保护种植体周围生态系统。研究结论为：通过磁控溅射沉积Nb及Ti-Nb薄膜并结合500°C热处理，可实现钛表面由生物惰性向生物活性的转变，改性表面生物相容性优异、润湿性良好且维持至21天的ALP活性与矿化表现令人满意；但改性层在模拟生理条件下的结合强度及溅射沉积与热处理的经济可行性仍需未来研究。