钛及其合金由于具有好的力学和生物学性能,被广泛地用于骨科、牙科以及整形外科等硬组织植入领域。但是钛基材料本身具有生物惰性,因此对其表面改性技术就得到了越来越多的关注和研究,以获得具有生物活性和生物相容性的表面和改性层。在其中,表面氧化技术作为一种简便易操作并且高效的改性技术得到了广泛的研究并且已成功用于临床。经过氧化处理以后植入体表面能够形成具有多种结构和性能的生物活性多孔氧化膜层,进而提高钛基植入体的骨整合和骨生成能力。随着该研究领域的不断发展,表面具有微-纳米尺度结构和形貌的生物活性层无论在实验室还是在临床应用中都逐渐表现出了更好的生物学行为,其制备方法也受到了相关研究人员的重视和探究。因此,旨在获得快速、清洁、高效以及稳定的微-纳结构改性层（氧化层）的表面改性技术成为了钛基硬组织植入体领域热门的研究方向,并且具有好的应用前景。本研究正是基于以上研究现状,在前期大量试验的基础上探究出微-纳米结构尺度氧化膜具有好的生物学行为,研究出使用超音频感应加热（IHT）快速氧化技术在钛及其合金表面制备纳米结构尺度的生物活性氧化膜的方法,其制备参数、氧化膜的结构和其他性能也得到了进一步的优化。结合酸洗、超声喷丸（USP）、拉伸和压缩塑性变形等预处理方法通过IHT氧化技术在纯钛（TA2）和钛合金（Ti6A14V）表面制备出了纳米、亚微米结构尺度的生物活性氧化膜,分析了纳米尺度和亚微米尺度结构氧化膜的形成和转变机理。在研究中,使用X射线衍射仪（XRD）、X射线光电子能谱仪（XPS）、红外光谱分析仪（FTIR）和能谱仪（EDS）等测试方法,对不同结构尺度氧化膜以及其他表面生物活性层的表面物相组成和化学成分进行了检测与分析。使用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、原子力显微镜（AFM）并结合共聚焦离子束（FIB）技术研究了膜层表面和垂直截面上的形貌特征、膜层厚度以及表面粗糙度等其他表面性质。同时,氧化膜的内部形貌和晶体结构通过FIB技术预先制样并使用透射电镜（TEM）进行了分析。使用背散射电子（EBSD）和光学金相显微镜（OM）测试分析技术研究了 IHT氧化前后钛合金基体内部显微组织,探究不同结构尺度氧化膜的形成机理和相互转变过程。另外,不同生物活性层的表面润湿性、显微硬度以及电化学性能等其他物理和化学性能也得到了研究和分析。最终,为评估不同IHT氧化技术制备的微、纳米结构尺度氧化膜的生物学行为,ST2和MG63成骨相关组织细胞以及BMSCs干细胞被用于体外培养试验;不同氧化表面对组织细胞和干细胞的早期附着、伸展、增殖能力以及干细胞的长期成骨分化能力的促进作用也得到了研究。结果表明,经20-35 s IHT氧化以后钛以及合金表面能够快速生成排列均匀并垂直于表面生长的TiO2纳米柱状晶结构;随着氧化时间的延长纳米晶尺寸在长度方向上择优生长,氧化膜厚度由0.5μm增加到了 1.5 μm。这种纳米结构氧化膜增大了钛基体的表面粗糙度（Ra）并明显改善了表面的润湿性能,氧化35 s后Ra值增加到了 31.3 nm,润湿角（θ）降低到了 63.9°;制备的纳米结构氧化膜还具有好的结合强度和HA沉积能力。成分分析表明,纳米结构氧化膜主要含有Rutile/Anatase相TiO2和少量的Al2O3,其中Al2O3主要分布在氧化膜的最表层和晶界处。合金原始基体中大量的位错等小角度晶界为IHT快速氧化过程中纳米尺寸氧化微晶的形成提供了充足的形核位置。在较快的IHT氧化速度下大量的晶核优先形成并聚集成最终的纳米柱状晶。氧化后小角度晶界转变成大角度类型,也促进了氧化晶粒的形核。另外,IHT处理后合金原始基体组织发生了再结晶过程,改善了基体的力学性能,更有利于医学临床的应用。HA在不同温度和离子浓度的SBF中具有不同的沉积行为,浸泡1-8天后不同浸泡条件下试样表面的沉积层具有不同的沉积颗粒（球）尺寸和孔隙率等结构和形貌特征,沉积层前期化学成分也发生了明显的变化。具有较高温度和浓度的SBF体外浸泡试验可以用于材料表面生物活性的快速表征和生物活性陶瓷层的快速制备。合金基体经酸洗和USP预处理以后,表面分别生成了微米尺度粗糙结构和表面应力层,IHT氧化以后试样表面在原来的结构基础上最终分别形成了纳米-微米双重结构和亚微米蠕虫晶网状结构的氧化膜。这种结构使得表面粗糙度得到大幅度增加,分别为108.8-191.9 nm,13.3-55.9 nm（P1）以及17.3-70.4 nm（P2）,并且使得表面润湿性能得到大幅度改善。这种更大尺度结构（相对于IHT制备的纳米结构而言）氧化膜的相组成也主要是Rutile/Anatase相TiO2和少量的Al2O3。经USP预处理和IHT氧化后基体组织发生了明显的回复、再结晶过程,并且有大量的板条状马氏体产生,使得氧化晶粒在前期形核以及后期融合和长大过程中发生了形状上的显著变化,最终生成蠕虫晶网状结构。另一方面,TA2经10-20%拉伸以及Ti6A14V经过20-40%压缩塑性变形并经IHT氧化后表面快速生成了不同结构尺度的氧化膜。IHT氧化时塑性变形后的基体组发生了不同程度的再结晶过程,使得α-Ti晶粒尺寸随变形量和IHT氧化时间的变化发生了规律性变化。基体组织的规律性变化决定了表面氧化膜的结构尺度变化:大尺寸α-Ti晶粒诱导生成大尺寸的氧化晶粒;小尺寸的基体晶粒引导较小尺寸氧化晶粒生成。体外组织细胞培养试验表明,不同尺度结构的氧化膜能够不同程度地促进ST2和MG63细胞的附着和铺展,并且提高ST2组织细胞的长期增殖和成骨能力,没有表现出任何细胞毒性。随着IHT氧化时间增加氧化膜结构尺度增加,对组织细胞附着、增殖以及成骨能力的促进作用也更加明显。其中,IHT方法制备的纳米结构氧化膜和P2+IHT方法制备的蠕虫晶网状结构氧化膜对ST2细胞增殖和成骨能力的提高最为显著。单独的酸洗和USP预处理都对细胞的附着和成骨能力有不同程度的促进作用。进一步的体外BMSCs干细胞培养结果表明,IHT和A+IHT方法制备的纳米结构氧化膜和双重粗糙度氧化膜对BMSCs的24 h附着和伸展能力的促进作用不太显著,但对1-7天的干细胞增殖和1-3周的ALP,OCN,Runx2,OSX和COL-1等成骨基因和相关蛋白的表达能力有明显的促进作用。USP+IHT方法制备的亚微米级蠕虫晶网状结构氧化膜对BMSCs细胞反应的促进作用最为显著,能够较好地提高干细胞短期附着和增殖能力以及长期成骨分化能力。另外,本研究还发现与组织细胞相比干细胞BMSCs具有不同的细胞反应行为,表现出较弱的细胞附着能力和延展性。