增材制造生物医用植入体涂层技术的进展：一项批判性综述

《Journal of Materials Research and Technology》：Advancements in coating technologies for additive manufactured biomedical implants: A critical review

　　

增材制造（AM）通过实现患者特异性几何结构、可控孔隙率以及能够高度贴近天然组织力学与解剖学需求的设计化晶格结构，已经改变了生物医用植入体的制造方式。然而，增材制造植入体的表面质量、生物学性能以及长期耐久性在高要求临床应用中往往仍显不足。冷喷涂（CS）是一种基于高速颗粒撞击的固态沉积技术，已成为一种前景良好的表面工程策略，能够在保持基体与涂层材料微观结构完整性的同时克服上述局限。该综述系统评述了AM与CS集成用于开发新一代生物医用植入体的研究进展。文中讨论了AM与CS的基本原理，并综述了粉末原料设计、结合机制、微观结构演化以及涂层—基体相互作用等方面的最新进展。文章特别强调了基于羟基磷灰石、磷酸钙、生物活性玻璃、钛合金及复合体系的生物活性、抗菌和多功能涂层。研究人员还系统评估了工艺参数对耐腐蚀性、磨损行为、疲劳性能、骨整合以及生物学响应的影响。与此同时，文章分析了混合AM–CS制造、功能梯度结构、后处理策略及智能过程监测等最新发展。最后，综述指出了涂层附着力、工艺标准化、残余应力管理及临床转化等当前挑战，并强调了人工智能（AI）、智能涂层、治疗性表面以及患者特异性多功能植入体等未来发展方向。该综述表明，AM与CS的协同集成为构建耐久、生物活性且个体化的植入体系统提供了有前景的路径，可望满足再生医学与骨科医学不断演进的需求。

该文发表于《Journal of Materials Research and Technology》，是一篇围绕增材制造（AM）生物医用植入体先进涂层技术，尤其是冷喷涂（CS）与AM协同应用的批判性综述。研究背景在于，现代骨科、牙科和颅颌面修复正快速转向个体化治疗，植入体不仅需要匹配患者解剖学形态，还需兼具长期力学稳定性、优良骨整合能力、耐腐蚀性、抗磨损性和抗感染能力。AM能够制造复杂外形、连通孔结构与仿生晶格，因此在患者特异性植入体制造中展现出显著优势；但AM构件常伴随表面连通孔、部分熔融颗粒、微观组织不均一以及残余拉应力等问题，进而削弱其耐腐蚀性、耐疲劳性和生物学响应。传统表面改性技术虽可一定程度改善植入体界面性能，但高温热喷涂过程又可能引发生物活性陶瓷分解、氧化增加及热损伤。因此，为什么要开展这项研究，核心就在于梳理不同涂层技术特别是CS如何弥补AM植入体表面与服役性能短板，并评估二者融合后能否建立兼顾结构设计与表面功能的新一代植入体系。

研究人员首先从综述方法学出发，说明文献主要来自Scopus、Web of Science、ScienceDirect、PubMed和Google Scholar等数据库，筛选时间集中于2015—2026年，围绕增材制造植入体涂层、生物活性涂层、表面工程、冷喷涂与热喷涂等主题进行系统归类和比较分析。文章由此建立了一个围绕制造原理、工艺参数、微观结构、力学与电化学表现、骨整合及抗菌能力的评价框架。综述最终得出的总体结论是：单一制造或单一涂层技术难以同时满足承载植入体的结构强度、生物活性和长期稳定性需求；AM提供复杂个体化骨架，CS则通过固态高速沉积实现低氧化、低热损伤、相稳定和压应力引入，二者协同是面向高性能、个体化、生物活性植入体的重要方向。这一结论的重要意义在于，它将植入体的“体结构设计”与“表面功能构建”明确分离又重新整合，为再生医学和骨科植入物设计提供了面向临床需求的系统路径。

作者为开展研究所用的主要关键技术方法可概括为以下几类：其一，系统文献检索与主题分类方法，对AM、物理气相沉积（PVD）、浸涂（dip coating）、多类热喷涂以及CS相关研究进行筛选和比较；其二，围绕材料—工艺—性能关系的比较分析，重点考察耐腐蚀性、磨损、疲劳、骨整合和抗菌行为；其三，总结不同喷涂体系的微观组织形成机制，包括颗粒熔融/半熔融铺展、绝热剪切失稳（adiabatic shear instability）与固态塑性变形结合等；其四，纳入部分代表性表征手段和案例分析，如扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）、X射线衍射（XRD）等对涂层形貌、元素分布和物相稳定性的评价。本文为综述性质研究，不涉及独立样本队列。

在“1. Introduction”部分，文章指出AM和先进表面涂层技术共同推动了生物医用植入体设计升级。研究人员强调，AM使复杂个性化植入体与仿骨孔隙结构成为可能，而CS等表面工程技术可进一步提高表面耐腐蚀性、抗磨损能力及抗微生物定植能力。该部分奠定了全文核心，即AM解决形状与内部结构问题，CS解决表面功能与长期服役问题。

在“1.1. Review methodology”部分，作者说明了综述的数据库来源、关键词设置、文献筛选原则和主题分类框架。通过这一研究设计，文章保证了后续关于不同涂层技术优缺点比较的系统性和可靠性。

在“1.2. Role of additive manufacturing in implants”部分，研究人员总结AM在植入体中的价值主要体现在个体化适配、复杂几何构建和仿生多孔结构制造。与此同时，也明确指出AM金属植入体常具有生物惰性和表面缺陷，因此必须依靠后续表面功能化来提升临床表现。

在“2. Recent developments in surface coating technologies”及其各小节中，文章依次总结了PVD、浸涂、热喷涂与CS相关技术的研究进展。“2.1. PVD coatings”指出，PVD可制备薄而致密、附着性高的TiN、TiCN、ZrN、类金刚石碳（DLC）等涂层，适合改善耐磨和耐腐蚀性能，并可通过Ag、Cu、Zn引入抗菌功能。“2.2. Dip coating”强调浸涂适于复杂几何表面生物活性聚合物或溶胶-凝胶（sol–gel）涂层构建，优点是成本低、可扩展，但存在开裂和附着问题。“2.3. Thermal spray technologies”系统评述了大气等离子喷涂（APS）、真空等离子喷涂（VPS）、低压等离子喷涂（LPPS）、悬浮液等离子喷涂（SPS）、前驱体溶液等离子喷涂（SPPS）和高速氧燃喷涂（HVOF）。其中，APS粗糙多孔，利于早期骨整合，但高温易致羟基磷灰石（HAp）分解为α-TCP、β-TCP、TTCP和CaO；VPS与LPPS因氧化少、孔隙率低、相保持更好，在耐腐蚀方面表现更优；SPS和SPPS可形成纳米结构、柱状结构和多级孔结构，更接近天然骨层级结构；HVOF则兼顾致密性与较低热暴露，适合耐磨耐腐蚀涂层。于“2.3.7. Comparison with other coating techniques with cold spraying”中，作者得出关键结论：CS相较其他热喷涂技术最大优势在于不熔化原料，因此可最大程度保持物相稳定、减少氧化并引入有利压应力，但对脆性陶瓷直接沉积仍有限制。该节实际上说明，不同技术并非相互替代，而是面向不同临床和材料目标互补存在。

在“2.4. Co-implementation of thermal spray processes with cold spray technologies”部分，研究人员进一步指出热喷涂与CS联合使用可兼顾高致密性、生物活性与低热损伤。其意义在于扩展多功能复合表面的设计空间，为混合制造提供理论基础。

在“3. Cold spray technology for biomedical implants”部分，文章集中论述CS在生物医用植入体中的机制优势。研究人员指出，CS通过de Laval喷嘴将粉末加速至300–1200 m/s，在低于熔点条件下实现沉积，从而保留热敏材料原始晶体结构与化学组成。该部分得出的结论是，CS尤其适用于HAp、Ti及其复合材料表面改性，能够提高疲劳寿命和耐腐蚀性能。“3.1. High-pressure cold spray”说明高压冷喷涂（HPCS）在>1 MPa甚至6 MPa条件下可实现更高粒子速度，更适合Ti、不锈钢和复合粉末沉积；“3.1.1. Low-pressure cold spray”则概述低压冷喷涂（LPCS）便携、成本较低，可用于较轻材料和部分HAp涂层制备。“3.2. Application of cold spray processes in bio-metal additive manufacturing”总结CS在生物金属增材制造中的作用，包括制备功能梯度材料、修复AM表面缺陷、沉积生物活性层以及改善Ti–6Al–4V等基体的骨整合表现。“3.3. Fabrication of cold-sprayed titanium/baghdadite (Ti/BAG) bio-composite coatings”通过Ti/BAG案例表明，经激光处理后涂层孔隙降低、颗粒结合改善、物相细化并促进有利于磷灰石成核的生物活性相稳定，从而提升涂层完整性、耐腐蚀性和生物学性能。“3.4. Emerging integration of additive manufacturing and cold spray technologies”则概括AM与CS的关键协同：AM构建复杂骨架，CS修复缺陷、封闭连通孔、沉积生物活性/抗腐蚀层并以压残余应力抵消AM残余拉应力。

在“3.5. Challenges for cold spray additive manufacturing (CSAM)”中，作者指出CSAM仍面临材料适应性、参数优化、微观结构控制、几何可达性和标准化不足等问题。尤其是脆性陶瓷沉积效率低、复杂内腔难以覆盖，以及大规模重复制造的一致性不足，是限制其广泛进入生物医学应用的重要障碍。

在“4. Influence of coatings on the performance of additively manufactured biomedical implants”部分，文章从性能导向总结涂层的作用。“4.1. Fatigue and wear resistance”指出涂层对降低磨损碎屑、延缓疲劳失效至关重要；“4.2. Stiffness and strength”强调植入体刚度与骨组织匹配可缓解应力遮挡（stress shielding），并说明多孔和复合设计可在不牺牲骨长入的前提下调控强度；“4.3. Corrosion resistance”说明先进涂层通过构建屏障层减少生理环境中的腐蚀和有害离子释放；“4.4. Integrated role of coatings in additively manufactured biomedical implants”则综合得出，表面涂层是将AM几何优势转化为长期临床可靠性的关键桥梁。

在“5. Various applications of bioactive materials as a coating”部分，研究人员总结了多类生物活性材料的应用图谱。“5.1. Hydroxyapatite (HAp) based coatings”指出HAp因与天然骨无机相最接近而最常用，具有优良骨传导性和高骨-植入体接触率（BIC）；“5.2. Advanced bio-ceramic coatings beyond hydroxyapatite”则扩展到β-TCP、生物活性玻璃（BAG）、硅灰石、硅酸钙、氧化锆（ZrO₂）、氧化铝（Al₂O₃）及镁基材料，说明不同材料在可降解性、耐磨性、生物惰性与促骨方面各有定位。“5.3. Mechanical performance of cold-sprayed bio-ceramic coatings”得出的核心结论是，CS形成的压残余应力、低孔隙和高相纯度有利于提升生物陶瓷涂层的力学稳定性，但纯HAp脆性大，因此金属-陶瓷复合往往更实用。“5.4. Post-coating treatment strategies”总结热处理、水热处理和激光表面处理可进一步促进扩散结合、再结晶、表面功能化和耐磨耐腐蚀提升，但也可能引入新的相变和应力问题。“5.5. Biological considerations”强调成功的生物活性涂层必须在骨整合、炎症控制、抗感染和离子释放安全性之间取得平衡。

在“6. Antimicrobial and antibacterial coatings produced by the cold spray method”与“6.1. Anticorrosive coatings”中，作者总结CS可通过引入Cu、Ag、Zn等抗菌组分实现抑菌或抗生物被污（anti-biofouling）表面，同时在适当后处理下提高抗腐蚀性能。该部分说明，感染预防和腐蚀防护已成为植入体表面设计的双重目标。

在“7. Critical challenges and research gaps in hybrid AM-CS biomedical implants”部分，文章集中讨论混合AM-CS体系的关键瓶颈。“7.1. Interface bonding challenges”指出涂层—基体界面附着仍是首要难题，尤其在Ti及其合金和异质材料体系中更明显；“7.2. Deposition on porous structures”表明在多孔支架表面实现均匀沉积极具挑战，局部孔隙梯度可能损害长期疲劳寿命；“7.3. Residual stress evolution”指出AM拉应力与CS压应力耦合使残余应力场更加复杂；“7.4. Post-treatment mechanisms”说明热等静压（HIP）等后处理虽能显著致密化并提高强度，但成本和适用范围受限；“7.5. Fatigue-corrosion-bioactivity trade-off”揭示生物活性提升、耐腐蚀性和疲劳强度之间常存在权衡；“7.6. Bridging the gap between laboratory success and clinical implementation”则进一步强调工艺一致性、测试标准和监管路径不足，是实验室成果向临床转化的核心障碍。

在“8. Future prospects”中，研究人员总结未来方向包括激光辅助冷喷涂、实时颗粒诊断、数字孪生（digital twin）、机器学习驱动的喷涂路径优化、多材料梯度结构设计、便携式系统和低成本工艺开发。其核心含义是，未来AM-CS将由单纯工艺组合转向数字化、智能化、患者特异化的一体化制造平台。

讨论部分的核心可概括为：本文通过跨技术比较指出，没有任何单一涂层技术能够同时满足所有临床性能目标。APS、SPS与SPPS在构建高度生物活性和仿生陶瓷表面方面仍具优势，HVOF、VPS和LPPS在高致密性和耐腐蚀方面表现突出，而CS则在物相保持、抗疲劳提升以及与AM金属基体兼容性方面具有不可替代的优势。研究人员据此强调，未来发展方向不是简单替代某一技术，而是通过混合制造、功能梯度设计和后处理优化，协调力学、腐蚀、生物活性与抗菌多重需求。文章同时反复提醒，界面附着、脆性材料沉积、复杂多孔结构可达性、残余应力控制、质量标准与监管认证，是当前从工程可行性迈向临床实用性的决定性问题。

研究结论部分可译为：增材制造与冷喷涂技术的结合在生物医用植入体工程中开辟了新的范式，并实现了结构设计与表面功能的解耦。大量研究表明，这两种技术单独使用时都难以完全满足下一代植入体更高层次的力学、生物学和临床需求。与传统制造相比，增材制造可对植入体几何形态、孔隙率和结构设计进行前所未有的精确控制，而冷喷涂则能够在不损伤基体的前提下沉积致密、物相稳定、无明显氧化的功能涂层。因此，二者集成使研究人员可以分别优化体相结构与表面生物活性。另有研究显示，AM–CS体系在降低植入体失效机制方面具有显著作用，包括植入体与骨组织整合不足、腐蚀诱导退化、磨损、应力遮挡和感染等。生物活性陶瓷涂层、多功能金属—陶瓷复合层、抗菌表面及功能梯度结构的引入，使植入体由被动替代物转变为具有生物学活性和性能导向的系统。冷喷涂的固态沉积特征还可保持原料化学组成、减少相变并形成有利的压残余应力，从而提高长期耐久性。总体而言，AM与CS的集成并非简单叠加，而是能够将植入体结构设计、表面化学和生物学响应纳入统一设计理念的制造平台，因此被认为是开发高性能、长寿命、高功能性和高临床可靠性生物医用植入体的最有前景路径之一。