阳极氧化Ti6Al7Nb合金表面性质对生物医学应用的启示

《Materials》：Insight into Surface Properties of Anodic Oxidized Ti6Al7Nb Alloy for Biomedical Applications

　　

Ti6Al7Nb合金作为无钒替代品在生物医学植入物中越来越多地应用于Ti6Al4V；然而，植入物的性能主要受表面层的物理化学性质控制。在本研究中，研究人员采用阳极氧化（anodic oxidation）作为一种可控的表面工程工艺，在Ti6Al7Nb合金上生成功能性氧化物层，并改变其结构、化学和电化学特性。通过表面形貌、润湿性、显微硬度、晶体学相组成、电化学行为以及结合深度剖析（depth profiling）分析的表面化学，对阳极形成的表面层进行了全面表征。此外，使用体外细胞毒性试验（in vitro cytotoxicity test）评估了改性表面的生物反应。结果确认形成了稳定且化学定义的氧化物层，具有增强的电化学稳定性和定制的表面性质。改性表面表现出改善的耐腐蚀性、可控的物理化学参数以及良好的细胞相容性。这些发现表明，阳极氧化能够精确工程化表面层，并突显其作为控制植入物-环境相互作用的功能界面的关键作用，证实该方法是一种开发先进钛基生物医学植入物表面的有效策略。

**论文解读：阳极氧化Ti6Al7Nb合金表面性质的全面表征及其生物医学应用潜力**

**一、研究背景**
钛合金因其优异的组织环境耐腐蚀性、生物相容性、高比强度（Rm/ρ）以及低杨氏模量（在所有金属材料中最接近骨组织），在骨科植入物中得到广泛应用。常用医用钛合金包括Ti6Al4V和Ti6Al7Nb。其中，Ti6Al7Nb作为无钒替代品，因其提高的生物安全性和良好的力学性能而受到越来越多的关注。钛合金具有自钝化能力，可在表面自发形成数纳米厚的钝化氧化层，主要由非晶态二氧化钛（TiO₂）和部分非化学计量TiO_2-x组成，并含有少量铝、钒或铌的氧化物。然而，这些元素（尤其是钒和铝）在表面层中的存在可能引发细胞毒性反应或骨软化等不良效应。因此，需要通过表面改性来消除这些不利影响，同时改善生物相容性、耐腐蚀性和生物活性。

目前，表面改性技术主要分为机械、化学和物理方法。其中，阳极氧化（anodic oxidation）作为一种电化学方法，能够精确控制氧化物层的厚度、形貌、化学组成和润湿性，在骨科和牙科植入物中应用广泛。然而，尽管已有大量研究，大多数工作仅聚焦于耐腐蚀性或生物响应中的某一方面。对于Ti6Al7Nb合金，结合X射线光电子能谱（XPS）深度剖析与理化、电化学、结构和生物表征的综合研究仍然有限。此外，阳极氧化前的机械预处理（如喷砂）对最终氧化物层的影响也较少受到关注。因此，本研究旨在对在前期优化条件下制备的阳极氧化Ti6Al7Nb合金表面进行全面的物理化学、电化学、结构和化学表征，特别强调XPS深度剖析与表面形貌、腐蚀行为和生物学评价的结合。

**二、主要关键技术方法**
研究人员采用以下关键技术方法：（1）阳极氧化工艺：在含硫酸和磷酸的电解液中，于97 V电压下进行2分钟阳极氧化，形成约200 nm厚的均匀氧化物层；（2）表面形貌表征：使用光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）和共聚焦三维形貌仪（Leica DCM8）观察表面形貌并测量粗糙度；（3）润湿性测试：采用座滴法测量静态接触角；（4）显微硬度测试：使用维氏压头进行深度控制压痕测试，通过Oliver-Pharr方法计算硬度；（5）X射线衍射（XRD）分析：采用Cu-Kα辐射源，进行Rietveld精修确定相组成和结构参数；（6）电化学测试：在磷酸盐缓冲溶液（PBS，pH 7.4，37 °C）中进行动电位极化测试，评估点蚀耐性；（7）XPS深度剖析：使用单色Al Kα X射线源，结合Ar⁺离子溅射获得化学组成随深度分布；（8）细胞毒性测试：按照ISO 10993-5/12，使用SaOS-2人骨肉瘤细胞系，通过MTS法测定细胞存活率，并采用免疫荧光染色观察细胞骨架形态。样本来源：Ti6Al7Nb合金棒材（符合ISO 5832-11），经磨削、喷砂（玻璃珠，70-110 μm，2分钟）和阳极氧化处理。

**三、研究结果**
**3.1 表面观察**
通过光学显微镜观察，阳极氧化后表面呈现非均匀干涉色，这是薄氧化物薄膜特有的光干涉现象。SEM图像显示，表面形貌均匀，含有来自机械预处理的不规则凸起和凹谷，无局部缺陷或损伤。粗糙度参数为Sa = 0.396 ± 0.084 μm，Ra = 0.343 ± 0.097 μm，表明喷砂产生了适度粗糙度。

**3.2 润湿性测试**
静态接触角平均值为Θ = 54.7 ± 1.9°，表明表面为亲水性。根据文献，该润湿性和粗糙度参数有利于骨传导反应。

**3.3 显微硬度研究**
显微硬度随压入深度变化：在0.5 μm深度处硬度约为500 HV，在1-2.5 μm深度范围内增加，此后逐渐下降，至7.5 μm深度时约为400 HV。硬度分布与XRD结果相关，表明喷砂强化了亚表层。

**3.4 X射线衍射研究**
XRD相分析表明，表面层中仅识别出αTi和βTi两相，未检测到其他氧化物相。Rietveld精修获得了晶格参数和原子坐标。硬度分布与XRD结果相关，证实喷砂导致亚表层强化。

**3.5 电化学研究**
开路电位（E_ocp）为-5 ± 17 mV。动电位极化曲线未观察到点蚀击穿电位，回扫曲线电流密度低于正向扫描，表明表面具有良好的点蚀耐性。腐蚀电位E_corr = -31.2 ± 7.5 mV，极化电阻R_p = 0.93 ± 0.11 MΩ·cm²。研究人员指出，回扫电流密度降低可能源于钝化膜的再钝化，需进一步用电化学阻抗谱（EIS）补充表征。

**3.6 X射线光电子能谱研究**
XPS深度剖析显示了主要合金元素（Ti、Al、Nb）和杂质元素（O、C、Si、P、S、Ca、Na）随Ar⁺溅射时间的浓度分布。Ti表面浓度约3%，随深度增加至约20%；Al浓度先下降后回升；Nb浓度较低，逐渐增加。O是钝化层主要成分，浓度约60-65%。C表面浓度高（34%），溅射后迅速降低。Si浓度约15%。P、Ca、S、Na源于电解液，在表面出现后逐渐消失，可能促进表面生物活化。化学状态分析表明，Ti主要以TiO₂、Ti₂O₃、TiO和金属Ti形式存在，表面层中TiO₂占90%；Al以Al₂O₃和金属Al存在；Nb以Nb₂O₅、NbO/NbC和金属Nb存在。O 1s峰分解为金属氧化物（O1）、氧化物缺陷（O2）、含碳物种/SiO₂（O3）和OH/水（O4）四种组分。结果表明，钝化层主要由Ti、Al、Nb的氧化物组成，逐渐过渡到金属基体。

**3.7 细胞毒性研究**
MTS试验显示，SaOS-2细胞经改性表面提取液孵育72小时后，标准化存活率为107.94%，高于对照组，未观察到细胞毒性。荧光显微镜观察显示，细胞形态正常，细胞骨架组织良好，可见增殖细胞和少量凋亡/坏死细胞，偶见含微核样结构细胞。研究表明，改性表面无细胞毒性，且初步证实了细胞相容性。

**四、讨论与结论**
讨论部分指出，喷砂后阳极氧化形成的表面具有适度粗糙度、亲水性和含磷、钙物种，这些特征有利于与生物环境相互作用。XPS深度剖析确认了以TiO₂为主的稳定钝化层，并含有Al₂O₃和Nb₂O₅，增强了化学稳定性。电化学测试表明改性表面在PBS中具有良好耐点蚀性。细胞毒性试验证实无细胞毒性。然而，本研究仅进行了间接细胞毒性筛选，未评估直接细胞接触、成骨分化等，需进一步研究。总体而言，阳极氧化与喷砂结合可有效调控Ti6Al7Nb合金的表面性能，提高其生物医学应用潜力。

**结论**：本研究提供了Ti6Al7Nb合金经喷砂和阳极氧化联合处理后表面的全面物理化学、电化学和生物学表征。XPS深度剖析证实阳极形成的钝化层主要由TiO₂及合金元素氧化物组成，表明形成了稳定的氧化膜。所得表面具有适度粗糙度、亲水性以及磷和钙物种，这些特征结合富TiO₂钝化层，改善了PBS中的腐蚀行为，并被认为有利于与生物环境相互作用。间接细胞毒性试验表明，改性表面提取液未对SaOS-2细胞产生细胞毒性，确认了初步的体外细胞相容性。结果表明，该表面改性方法是一种改善Ti6Al7Nb合金功能性能的有前景途径。但本研究仅为初步体外评价，需进一步开展直接细胞-表面相互作用、成骨活性、长期电化学表征和体内研究，以全面评估改性表面的生物学性能和临床潜力。