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微弧氧化对钛合金表面结构及成分的生物活性调控

钛合金；微弧氧化；多孔涂层；放电机理；生物活性

近年来，钛合金表面改性的研究逐渐兴起，旨在提高种植体的骨整合能力，以及降低有害金属离子释放来避免不良的组织反应和植入失败发生。微弧氧化(MAO)是生物医学领域一种较为新颖的表面改性技术，其主要特点是氧化过程中在钛合金表面形成以TiO₂为主要成分的粗糙多孔陶瓷涂层。本文通过钛合金在硼酸盐电解质中MAO过程的放电特性分析，研究了涂层结构的演化规律以及涂层中合金元素的含量变化，建立了合金元素与电解质交互作用的放电机理模型。研究表明，电解质与合金元素交互作用可以调节放电位点的移动，进而控制涂层形貌在“分级多孔结构”与单一“火山口结构”之间演化。同时，电解质对合金元素相应氧化物的溶解作用加速了特定合金元素的“逃逸”。硼酸盐与强碱混合的电解质大幅降低了Ti6Al4V表面MAO涂层的毒性元素——Al、V的含量。成骨细胞的体外培养表明，低Al、V含量的微纳米分级结构生物活性涂层有利于提高钛合金种植体的成骨细胞活性。因此，理解MAO过程中电解质与合金元素的交互作用机理，能够指导MAO涂层结构功能化设计以及降低潜在的毒性元素含量，对钛合金种植体的生物活性调控具有重要意义。