用于生物医学应用的层状羟基磷灰石/二氧化钛纳米管涂层的可控电化学沉积方法

《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Potential-Controlled Electrochemical Deposition of Hierarchical Hydroxyapatite/TiO 2 Nanotube Coatings for Biomedical Applications

　　•电化学沉积电位决定了HA涂层在TiO?纳米管模板上的形成。•7伏的沉积电位可生成均匀的层状HA/TiO?涂层。•HA/TiO?涂层改变了表面的电学、化学及界面特性。•该涂层有助于纤维连接蛋白的吸附、磷灰石的形成以及细胞附着。•已明确了HA/TiO?涂层的结构与性能之间的关系。

引言
钛及其合金因其优异的机械性能、耐腐蚀性以及天然的生物相容性，被广泛用作骨科和牙科植入物材料[1]、[2]、[3]。然而，钛表面自然形成的TiO?钝化膜具有生物学惰性，无法有效促进骨再生，往往导致骨与植入物的结合不佳，并在植入物界面形成纤维组织[4]。由于钛植入物的长期临床效果在很大程度上取决于快速而稳定的骨整合，因此人们致力于开发能够增强植入物表面与周围组织之间生物相互作用的生物活性表面改性技术。在各种表面改性方法中，电化学阳极氧化因能以简单可控的方式在钛基底上直接制备出高度有序的TiO?纳米管阵列而备受关注[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。这类纳米管结构为生物医学应用带来了诸多优势，包括更大的表面积、更高的表面能，以及类似细胞外基质的纳米级拓扑结构，从而有助于蛋白质吸附和细胞黏附[6]、[7]、[8]、[10]、[11]。更重要的是，这些纳米管阵列可为磷酸钙沉积提供大量异质成核点，有利于形成均匀的生物活性涂层[10]、[12]、[13]。

羟基磷灰石因其化学成分和晶体结构与天然骨骼中的矿物质极为相似，且具备出色的生物相容性、骨传导性以及促进骨与植入物结合的能力，因此被广泛研究作为钛植入物的生物活性涂层材料[12]、[14]、[15]、[16]。目前已有多种技术用于在钛基基底上沉积羟基磷灰石涂层，包括等离子喷涂[17]、磁控溅射[18]、溶胶-凝胶法[19]、脉冲激光沉积[20]、水热处理[21]以及电泳沉积[22]。其中，电沉积方法因能在温和条件下进行，且可通过调节电化学参数精确控制涂层的厚度、形态和结晶度而受到重视。此外，它还是一种简单且成本较低的技术，适用于复杂的表面结构，因此特别适合在TiO?纳米管阵列上沉积羟基磷灰石涂层[13]、[14]、[15]、[16]、[23]、[24]、[25]。

先前的研究通过不同的表面工程和涂层策略来改善羟基磷灰石涂层的结构、物理化学性质及生物性能。2018年，Xia等人[26]采用大气等离子喷涂结合水热处理的方法在Ti-6Al-4V基底上制备了羟基磷灰石涂层。水热处理提升了涂层的结晶度，促进了羟基磷灰石结构的形成，进而提高了表面的润湿性、抗降解性、蛋白质吸附能力、成骨活性以及骨整合能力。这些研究结果表明，羟基磷灰石涂层的结构特征以及沉积后的处理方式会显著影响其物理化学和生物性能。不过，这些研究并未探讨羟基磷灰石的电化学形成机制，也未涉及沉积电位在调控阳极氧化处理的TiO?纳米管阵列上涂层形成过程中的作用。2020年，Li等人[14]以及2022年Dev等人[16]总结称，以往的研究主要通过单独调整电化学参数（如电流密度、pH值、电解质组成及沉积模式），或引入过氧化氢、脉冲沉积、超声辅助等辅助策略，来改善金属基底上电沉积得到的羟基磷灰石涂层的性能，进而优化其形态、结晶度、钙磷比、黏附性及耐腐蚀性。但这些研究大多在传统金属基底上进行，且是在不同的基底、电解质及沉积条件下研究电化学参数的影响。Dev等人特别强调了施加电压在羟基磷灰石电沉积过程中的重要作用，这一观点也得到了Mokabber等人[27]的验证。Mokabber等人采用双电极脉冲电沉积装置，以钛作为阴极，测试了在不同沉积时间内，分别为-1.4伏、-1.6伏和-1.8伏的阴极电位对涂层的影响。脉冲频率固定为1赫兹，脉冲开启时间和关闭时间均为0.5秒。在-1.4伏时，可得到相对致密且均匀的板状涂层；而将电位提升至-1.6伏和-1.8伏时，涂层出现明显劣化，表现为裂纹和孔洞的产生，以及部分或完全的涂层脱落，同时还会伴随氢气释放的增加。因此，现有研究结果大多具有很强的参数依赖性，缺乏系统性，未能建立施加的沉积电压、羟基磷灰石成核、晶体生长以及层状涂层形成之间的统一关联。尤其是，施加电压的系统性变化如何调控羟基磷灰石的形成，以及由此产生的结构演变如何影响阳极氧化处理的TiO?纳米管阵列上羟基磷灰石涂层的物理化学、电化学和生物特性，目前仍缺乏深入理解。

随着阳极氧化处理的TiO?纳米管阵列的出现，研究方向逐渐从传统金属基底转向这类纳米管结构，因为它们具备独特的调控界面生物反应以及促进生物活性涂层形成的能力。2023年，Poddar等人[28]通过电化学阳极氧化在Ti-6Al-4V合金上制备了不同直径的TiO?纳米管阵列，并系统评估了血小板黏附性、血液相容性以及体外细胞存活率。他们的研究表明，纳米管的几何结构会显著影响生物反应，进一步证实了纳米拓扑结构在调控细胞与材料相互作用中的关键作用。不过，这项研究侧重于优化纳米管的形态，并未涉及羟基磷灰石的沉积。2024年，Mazare等人[29]发现，阳极氧化处理的TiO?纳米管的磷灰石形成能力与其形态、直径、结晶度以及表面功能化程度密切相关。通过交替浸渍处理和钙功能化处理，他们证明预先加载的羟基磷灰石或钙物种能显著加速模拟体液中的磷灰石成核，尤其是在大直径纳米管上效果更为明显。但这项研究主要聚焦于提升生物活性的后功能化策略，而非羟基磷灰石涂层的电化学形成机制。因此，阳极氧化处理的TiO?纳米管结构如何在不同的沉积电位下调控羟基磷灰石的电结晶过程，目前尚未有系统的研究。

最近，在2026年，Saedodin等人[15]通过电泳沉积在316不锈钢上制备了羟基磷灰石/钛O?复合涂层，研究表明通过优化涂层成分并随后进行热处理，可提升涂层的均匀性、耐腐蚀性、润湿性以及抗菌性能。不过，这项研究使用的是在不锈钢上的电泳沉积，而非在阳极氧化处理的TiO?纳米管阵列上的电化学羟基磷灰石沉积。Parcharoen等人[30]证明了在固定条件（-2.5伏、80摄氏度、10分钟）下，可在阳极氧化处理的TiO?纳米管阵列上进行阴极恒电位羟基磷灰石电沉积的可行性，并从形态、物相组成、元素组成、黏附性以及早期细胞反应等方面对所得涂层进行了评估。但由于沉积电位保持不变，因此无法探究羟基磷灰石电结晶过程随电位的动态变化，以及其与涂层物理化学、电化学和生物特性之间的关联。

在此基础上，研究人员通过引入纳米粒子、治疗剂以及生物活性金属离子，逐步发展出具有多种功能的多功能羟基磷灰石基涂层，以此同时提升涂层的表面性能、耐腐蚀性以及细胞相容性[25]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]。与此同时，人们还采用了水热处理、仿生矿化处理以及激光加工等多种沉积后的处理策略，来调控涂层的结晶度、层状结构以及界面稳定性，进而进一步提升羟基磷灰石/钛O?涂层的生物性能和长期耐用性[37]、[38]。

总体而言，以往的研究通过优化涂层的结晶度、采用电化学处理方法、调控纳米管形态、实现表面功能化以及调整涂层成分，不断改进羟基磷灰石涂层植入物表面的性能。尽管人们已经认识到沉积电位是调控羟基磷灰石电沉积的重要电化学参数，但以往的研究要么集中在传统金属基底上，要么主要利用TiO?纳米管阵列来调控表面的结构、功能化以及矿化过程。然而，目前仍缺乏系统性的实验研究，来探讨施加的沉积电位如何影响阳极氧化处理的TiO?纳米管阵列上的羟基磷灰石成核与晶体生长，以及由此形成的层状涂层结构又如何影响涂层的物理化学、电化学和生物特性。尤其是一直没有在统一的实验框架内，系统阐明沉积电位、涂层结构、蛋白质吸附、磷灰石形成能力以及细胞相容性之间的内在关系。

为填补这一知识空白，本研究系统探讨了在1到9伏的沉积电位范围内，沉积电位对羟基磷灰石涂层在阳极氧化处理的TiO?纳米管阵列上电沉积过程的影响。并对所得涂层从形态、物相组成、表面化学性质、润湿性、粗糙度、黏附强度、耐腐蚀性、磷灰石形成能力、纤维连接蛋白吸附能力以及体外细胞相容性等方面进行了系统分析。通过在一个统一的实验框架内，明确沉积电位、层状涂层形成过程与涂层物理化学、电化学及生物特性之间的关联，本研究为了解羟基磷灰石/钛O?涂层的结构与性能之间的关系提供了新的见解，也为合理设计具有生物活性的钛植入物表面提供了参考。

片段摘录
TiO?纳米管基底的制备
本研究以商业纯度为99.9%（Merck品牌）、尺寸为10×10×1立方毫米的钛板作为基底。在进行阳极氧化处理之前，先将样品在丙酮中超声清洗20分钟，再用双蒸馏水冲洗，最后在40摄氏度的真空烘箱中干燥2小时。通过在含有NH?F和去离子水的乙二醇基电解质中，以50伏的电压进行恒电位阳极氧化处理60分钟，成功制备出了自组织的TiO?纳米管阵列[11]、[39]。

羟基磷灰石涂层的电化学沉积
羟基磷灰石涂层是通过电化学沉积方法制备的。

FE-SEM观察表面形态
在电沉积之前，经阳极氧化处理的TiO?纳米管基底（见图1a）呈现出清晰且分布均匀的纳米管结构，这一特征通过高倍率的FE-SEM图像（见图1a插图）得以清晰展现，其纳米管的内径平均约为80-100纳米，这证明了TiO?纳米管阵列已成功形成。在1伏的沉积电位下（见图1b），未观察到明显的羟基磷灰石结晶，表明在此电位条件下羟基磷灰石的生成量有限。随着沉积电位的升高……

结论
通过电化学沉积方法，成功在TiO?纳米管阵列上制备出了羟基磷灰石涂层。沉积电位在调控涂层的形态、成分以及功能特性方面起着至关重要的作用。在所有研究的电位条件下，7伏的沉积电位可生成均匀的层状涂层，该涂层的钙磷比接近化学计量比（1.69），具有超亲水性，界面黏附性更强，耐腐蚀性更好，同时细胞相容性也不错。

作者贡献说明
Le Thi Tam：验证、方法学、定量分析。Hoang Van Vuong：资源获取、方法学、数据整理。Nguyen Truong Giang：可视化处理、验证、软件应用。Nguyen Van Toan：可视化处理、验证、资源获取。Tran Thi Trang：初稿撰写、方法学、数据整理。Nguyen Thi Nguyet：可视化处理、数据整理、概念构建。Nguyen Thi Thanh Tuyen：软件应用、方法学、定量分析。Le Van Toan：验证、方法学、数据整理。Vuong-Hung Pham：

利益冲突声明
作者声明不存在任何利益冲突。

致谢
本研究得到了越南国家科学技术发展基金会（NAFOSTED）的资助，项目编号为103.02-2023.93。

Tran Thi Trang|Nguyen Thi Nguyet|Nguyen Thi Thanh Tuyen|Le Van Toan|Le Thi Tam|Hoang Van Vuong|Nguyen Truong Giang|Nguyen Van Toan|Le Thi Bang|Ta Quoc Tuan|Cao Xuan Thang|Nguyen Ngoc Thang|Vuong-Hung Pham