基于生物医用Ti6Al7Nb合金表面改性技术的研究进展

李达汉，王树军, 陈宇澄，孙德奇，王崧全

(1.江苏师范大学, 江苏 徐州 221116)(2.中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南 洛阳 471039)(3.洛阳双瑞精铸钛业有限公司，河南 洛阳 471039)

0 引 言

钛及钛合金具有良好的生物相容性、较低的弹性模量、较好的耐腐蚀性等诸多优点，在医疗行业的用量逐年增加，且用途越来越广[1]。一直以来，Ti6Al4V合金在临床上的应用最广[2]，但其中的V元素对周围生物细胞有害[3]，具有一定的致敏性。对此，1985年瑞士Sulzer医学技术公司采用无毒害的β稳定元素Nb替代元素V，研制出了Ti6Al7Nb合金[4]，并在经过一系列机械性能和生物活性等相关实验评估后，发现其机械性能与Ti6Al4V合金相当[5]，耐腐蚀性[6]及延展性[7]更强，生物相容性[8]和生物活性[9]更优异，且经过长时间地临床应用后已实现国际标准化[10]，成为一种更加理想的生物医用钛合金材料。

但Ti6Al7Nb合金和大多数的钛合金一样，存在硬度低、耐磨性差等缺陷，特别是作为假体植入物时，极易发生摩擦磨损[11]，破坏合金表面的致密氧化层，导致耐腐性变差，摩擦与腐蚀的耦合作用会造成合金中Al等有害金属离子向周围生物组织扩散，致使植入物附近的组织发生炎症、过敏等病变，同时假体材料的长期磨损也会造成假体松动，严重影响其使用寿命[12- 13]。随着人们生活水平的不断提高及寿命的不断延长，患者对内植物的使用效果、使用寿命等的要求也不断提高，如何应用成熟的表面改性技术，优化内植物材料表面的耐磨性、耐蚀性及生物相容性等相关特性，逐渐成为生物医学领域的研究热点[14]。为此，就近几年基于生物医用Ti6Al7Nb合金的表面改性技术研究进行综述，分析相关技术的优缺点，并对其未来的发展趋势进行展望。

1 表面改性技术研究

钛及钛合金在空气和水溶液的环境中极易发生化学反应并形成非常稳定的惰性TiO2氧化膜，该氧化膜钝化能力强、自愈速度快，在遭受破坏后可以及时修复[15]。但植入体在人体内服役工况非常恶劣，体内环境中富含各种离子、含氧量充足，在摩擦过程的复合作用下，要求Ti6Al7Nb等医用钛合金植入体材料具有更强的耐磨防腐性。表面改性技术能够基于机械、物理、化学等方法来改变钛合金植入体表面氧化膜的结构、化学成分等，从而进一步地提高其生物相容性、生物活性、耐磨性和耐腐蚀性等。表1所示为目前技术比较成熟的部分表面改性方法。

1.1 阳极氧化法

利用阳极氧化法在医用钛合金的表面制备一层氧化物薄膜以改善植入材料生物相容性的报道已屡见不鲜，可以往的研究大都是基于纯钛或者Ti6Al4V合金，而近几年由于Ti6Al7Nb合金在医疗领域的应用不断深入，已有学者通过电化学阳极氧化法在Ti6Al7Nb合金上制备纳米多孔氧化物层，并对其生物活性、生物耐腐蚀性展开了研究。Huang等人[16]为改善Ti6Al7Nb合金的生物相容性，采用一种简单的电化学阳极氧化法，即室温(约25 ℃)下，在NaOH的碱性溶液中通过恒电位仪将阳极电流(0.2 A)施加到被抛光过的Ti6Al7Nb合金试样上，持续12 min后在其表面制备出具有纳米级孔隙的无Al氧化层，然后将其置于中性的模拟血浆(pH=7.4)中进行耐蚀性测试和生物活性分析。研究结果表明，与未处理的Ti6Al7Nb合金试样相比，阳极氧化处理不仅可以提高表面的耐腐蚀性，还可以促进表面细胞粘附和增殖，如图1所示[16]。随后，Huang等人[17]进一步研究了这种电化学阳极氧化工艺对Ti6Al7Nb合金周围细胞活性的影响，发现合金表面产生的纳米形貌涂层(孔径<100 nm)可以增强合金表面润湿性，提高蛋白质吸附、细胞粘附、细胞迁移和细胞矿化等能力，即合金表面的生物活性因此而得到改善。

表1技术较为成熟的部分表面改性方法

Table 1 Some mature surface modification methods

图1 细胞孵育6 h后不同Ti6Al7Nb合金样品表面免疫荧光染色的细胞粘附图像Fig.1 Cell adhesion images of immunofluorescent staining on different Ti6Al7Nb alloy samples after 6 hours incubation of cells：(a)untreated； (b)electrochemically anodized

为进一步研究阳极氧化对Ti6Al7Nb合金表面性能的影响，有学者在阳极氧化技术的基础上进行了其他热处理方法，其效果也较为理想。Nguyen等人[18]对经过阳极氧化—循环预钙化—热表面处理(APH)的Ti6Al7Nb合金样品分别进行了体外和体内测试，通过扭矩和组织学分析评估，结果表明APH处理显著增强了Ti6Al7Nb合金种植体的骨整合能力，且涂层与表面间的结合更为稳定，即生物活性得到了提高。

1.2 微弧氧化法

微弧氧化法与常规的阳极氧化法的工艺过程较为相似，区别在于微弧氧化法依靠微弧放电产生瞬时高压，从而改变材料表面氧化层的结构，是一种在医学上极具应用前景的表面改性方法[19]。Moskalewicza等人[20]在含有(CH3COO)2Ca·H2O和Na3PO4的电解质中通过微弧氧化工艺在Ti6Al7Nb合金上制备氧化层(厚度约为2.7～3.6 μm)，并对相关性能进行了测试。研究结果表明，表面涂层出现开孔和近似球形的闭孔，且氧化物涂层与合金基底有着极好的粘附性，合金表面的生物活性也得到了改善。据报道，一些表面改性(如酸蚀、微弧氧化等)过程中材料的疲劳寿命可能会受到影响[21]，为此Campanelli等人[22]对表面经过微弧氧化处理过的Ti6Al7Nb合金和纯钛进行了轴向疲劳试验，并通过建立S-N曲线进行疲劳性能评估。研究发现， Ti6Al7Nb合金样品的疲劳行为并未因微弧氧化而改变，表明微弧氧化处理既可以产生促进骨整合的TiO2层，改善Ti6Al7Nb合金表面的生物活性，也不会影响样品的疲劳特性。

Karbowniczek等人[23]在表2所示的不同电解质中，通过微弧氧化的方法在Ti6Al7Nb合金表面制备含有羟基磷灰石的氧化物涂层，并对其性能与结构展开了分析，结果发现电解质组分对涂层厚度、粗糙度和化学组成有着较为明显的影响，且相较于S2、S3涂层，S1涂层有着与基材更高的粘合度以及更优异的生物活性。这对于Ti6Al7Nb合金植入物的临床应用有着重要的意义。

表2 3种不同电解质的构成

Table 2 Composition of three different electrolytes

1.3 热氧化法

相较于气相沉积、离子喷涂等工艺过程相对复杂的表面处理方法，热氧化法是一种经济实惠、工艺简单易行的表面改性技术[24]。Aniolek等人[25]在500～800 ℃的条件下对Ti6Al7Nb合金进行了热氧化，并对在20 min～72 h不同时间段内的氧化性开展了研究，发现金红石型TiO2是较高氧化温度下氧化产物的主要相，且氧化层的连续性及其颗粒尺寸随氧化温度的升高而增加，此时的硬度和耐磨性也得到增强。Krzysztof等人[26]测定了热氧化法制备医用Ti6Al7Nb合金氧化层时的氧化参数，并分析了氧化参数对氧化层力学性能、厚度、形貌的影响。研究结果显示，在600 ℃下获得的氧化层厚度较小(最大0.22 μm)，在800 ℃下氧化形成了最厚的氧化层(1.56～5.42 μm)，即氧化层的厚度与硬度均随着氧化时间和温度的增加而增加，耐磨性也得到改善；此外，800 ℃下热氧化会使Ti6Al7Nb合金的拉伸强度降低14%，屈服点降低17.5%，塑性降低约4%，如图2所示。因此，氧化法能够提高Ti6Al7Nb合金的表面硬度及耐磨性，但会降低其强度和塑性。

图2 Ti6Al7Nb合金经不同温度热氧化后的拉伸性能Fig.2 Tensile properties of Ti6Al7Nb alloy in its initial state and after oxidation at various temperatures

1.4 喷砂酸蚀法

喷砂酸蚀是目前植入物材料表面改性中应用较多的一种方法，与一般表面处理方法不同，该方法是通过酸蚀使得植入物材料表面形成微孔结构，进而改善其生物活性。张静莹[27]将新生SD大鼠的成骨细胞制成细胞悬液，并接种到经喷砂酸蚀处理过的3种不同钛材(纯钛、Ti6Al7Nb、Ti6Al4V)表面，通过噻唑蓝(MTT)细胞活性实验观察成骨细胞的生殖情况。研究发现，经喷砂酸蚀处理后，Ti6Al7Nb合金表面形成了明显的孔洞结构，粗糙度明显增大，培育24 h后，相较于其他2种材料，表面粘附的成骨细胞数量更多、生长情况更好(如图3所示)。

图3 不同样品表面培养成骨细胞24 h后的荧光照片Fig.3 Fluorescence photographs of different surfaces with osteoblasts cultured for 24 hours：(a)Ti, polishing; (b)Ti6Al4V, polishing; (c)Ti6Al7Nb, polishing; (d)Ti, SLA; (e)Ti6Al4V, SLA; (f)Ti6Al7Nb, SLA

1.5 离子注入法

离子注入法是在一定的真空环境中，将某些元素离子通过高达几十万伏的高压电场进行加速，进而形成高能离子束, 使其高速撞击并嵌入到基体表面, 从而形成一个具有特殊性质的表面层。离子注入过程中不会改变基体材料原有的性能，但可以改善材料表面的耐腐蚀性、耐磨损性和抗疲劳性等，近年来已经成为一种应用较为广泛的新颖表面改性技术。蔡振兵等人[13]在小牛血清溶液润滑的条件下，对经过氮离子注入处理的Ti6Al7Nb合金表面开展了扭动微动摩擦磨损行为研究。结果表明，氮离子的注入促使Ti6Al7Nb合金表面生成氮化层，硬度和表面粗糙度随之增大，耐磨性也因此得到增强。郑新颖等人[28]通过往复滑动微动磨损实验研究了经氮离子注入的Ti6Al7Nb合金及具有类金刚石(DLC)涂层的Ti6Al7Nb合金在人工唾液环境下的磨损性能。研究发现，Ti6Al7Nb合金的抗微动磨损性能随着氮离子浓度的增加而提高，不过在人工唾液的环境下，DLC涂层的Ti6Al7Nb合金组相比于其他氮离子注入合金组具有更好的抗磨损性能。

1.6 其他表面改性技术

除了上述表面改性技术外，还有电泳沉积法、溶胶-凝胶法、气相沉积法等，这些表面改性技术相对来说也较为成熟，近些年也有不少学者对其在Ti6Al7Nb合金表面改性方面做了大量的研究工作。

电泳沉积法与阳极氧化法类似，也是基于电场作用的原理使悬浮液中带电的颗粒发生定向移动，从而在电极表面形成涂膜的工艺过程。Rafieerad等人[29]在50 V的恒定电压下，利用电泳沉积技术于Ti6Al7Nb合金种植体表面制备了羟基磷灰石-氧化锆(HA-ZrO2)的纳米复合涂层，并对该涂层的性能进行了探究。结果表明，复合涂层具有超亲水性，且培养在模拟体液中的种植体表面复合层能够在5 d内诱导形成磷灰石，即生物活性得到了显著提高。Hamad等人[30]在Ti6Al7Nb合金基体上对使用不同参数下的电泳沉积法制备氧化锆涂层展开了一系列的性能研究。研究发现，随着施加电压的增加和涂覆时间的延长，所沉积的纳米氧化锆涂层的厚度和重量也随之增大，表明选择合适的电泳沉积条件，可以在Ti6Al7Nb合金样品表面制备厚度均匀、薄且连续的纳米氧化锆涂层，这对增强合金表面的生物活性具有重大意义。

溶胶-凝胶法是基于原料水解、聚合反应形成溶胶，再进一步生成具有三维空间结构的凝胶，最后经过热处理制备出所需要的涂层材料。Wozniak等人[31]通过溶胶-凝胶法在Ti6Al7Nb合金表面沉积了氧化锆的涂层，并对其进行了电化学腐蚀试验研究。研究发现，溶胶-凝胶法获得的致密氧化锆涂层可以有效改善Ti6Al7Nb合金的耐腐蚀性。

气相沉积法是指涂层材料在气相状态下，经过物理或者化学过程在基材表面形成涂层的方法。根据成膜过程不同，可分为物理气相沉积法(PVD)和化学气相沉积法(CVD)。郭爱红等人[32]在众多的物理气相沉积法中选取了沉积效果较好的磁控溅射技术，在Ti6Al7Nb合金的表面制备了TiN涂层，并进行了相关性能测试。研究发现，溅射3 h后TiN层的硬度相较于未处理合金提高了3倍，即硬度和耐磨损性得到了明显的改善。Pd作为贵金属元素，在一些潮湿的环境中有着极佳的耐腐蚀性，Rafieerad等人[33]通过磁控溅射在Ti6Al7Nb合金表面制备了一层具有Pd/PdO的涂层，并对其进行了不同温度的退火处理。研究发现，经过表面处理后的Ti6Al7Nb合金的耐腐蚀性和亲水性均得到明显增强，且经过650 ℃退火处理后合金具有最大的硬度和弹性模量,如图4所示。

图4 未经处理的、经溅射处理并在不同温度下退火的Ti6Al7Nb合金的弹性模量和硬度值Fig.4 Elastic modulus and hardness values of untreated, sputtered and annealed Ti6Al7Nb alloy at different temperatures

2 结束语

综上所述，近年来针对医用Ti6Al7Nb合金的表面改性技术发展迅速，如阳极氧化法、微弧氧化法和电泳沉积法皆是基于电化学原理所进行的表面改性技术，均可在Ti6Al7Nb合金表面制备出性能极为优异的涂层，其中微弧氧化法的工艺过程更为简单，且废液排放量少，是一种较为环保的表面处理工艺；热氧化法工艺步骤少，可操作性高，经济实惠，但存在耗能高、不环保的缺点；离子注入法和气相沉积法成本高昂，制约了二者的发展；溶胶凝胶法和喷砂酸蚀法成本低廉、操作简单，应用较为广泛，但前者涂层与基材粘结不牢，后者的酸蚀会破坏Ti6Al7Nb合金原有的钝化层，进而影响其耐腐蚀性。从涂层性能、工艺流程及环保等方面综合考虑，目前的微弧氧化技术实用性较好，在未来一段时间会有着广泛的应用前景。

另外，现行的表面改性技术虽然在提高涂层耐磨耐蚀性、生物活性及生物相容性等方面不断进步，但涂层与基体结合力较差、涂层与基体间物理化学性能突变引起的植入物性能缺陷及耗能排污等方面问题仍未解决。随着表面改性技术的不断发展，梯度涂层制备成为近些年材料表面改性的研究热点，通过多种表面改性技术复合，制备多功能梯度涂层[34]不仅能够实现涂层成分和结构的梯度化，还可以增强涂层与基体的粘合度，并抑制基体和涂层之间的性能突变；而针对氧化法所造成的耗能高、污染大等问题，正交试验设计、时间参数优化是必要的解决途径，同时电解质溶液的不断改性是解决污染大的最有效方法。随着材料科学、化学及表面改性技术的不断发展，相信在不久的将来一定能够在环保的基础上基于Ti6Al7Nb合金基体制备出性能更加优异的涂层，这对Ti6Al7Nb合金在生物医学领域的进一步应用具有重要意义。