【摘 要】
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3D打印钛（Ti）植入物具有出色的机械性能和良好的生物相容性,金属钽（Ta）具有优异的抗疲劳特性和化学稳定性,在生物医学领域引起了广泛关注。然而,它们都是生物惰性材料,在植入物和天然骨之间缺乏骨整合,迫切需要表面改性来改善种植体的表面形貌或化学成分以促进骨整合。本论文主要围绕选择性激光快速成型（SLM）医用钛合金Ti-6Al-4V（TC4）表面功能化展开研究,重点探索表面改性工艺对涂层生长特性、表
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3D打印钛（Ti）植入物具有出色的机械性能和良好的生物相容性,金属钽（Ta）具有优异的抗疲劳特性和化学稳定性,在生物医学领域引起了广泛关注。然而,它们都是生物惰性材料,在植入物和天然骨之间缺乏骨整合,迫切需要表面改性来改善种植体的表面形貌或化学成分以促进骨整合。本论文主要围绕选择性激光快速成型（SLM）医用钛合金Ti-6Al-4V（TC4）表面功能化展开研究,重点探索表面改性工艺对涂层生长特性、表面形貌、亲疏水性等的调控规律,以及仿生矿化机理模型和促成骨作用。具体而言:（1）通过微弧氧化和水热法在3D打印TC4表面制备了掺锶（Sr）的二氧化钛陶瓷涂层。涂层内部疏松多孔,并且含有生物活性元素Ca、P、Sr等,结合力高达39.4N,具有良好的耐腐蚀性。在模拟体液（SBF）中浸泡5天后,能明显诱导磷灰石沉积,磷灰石主要由Ca（33.24 wt%）、P（16.95 wt%）和O（49.25 wt%）组成,钙磷比为1.69,接近羟基磷灰石（HA）理论比值1.67。涂层的超亲水性（接触角从56°减小到9.6°）是影响磷灰石形成的主要原因,这是因为,与相同接触角和曲率半径的平面相比,微纳复合结构能吸收更多体积的SBF（第3章）。（2）经过化学蚀刻和电化学阳极氧化,在3D打印TC4表面形成类似于生物矿化基质表面形态的仿生SrTiO3/TiO2异质结构。具体而言,首先在60℃条件下将TC4片置于盐酸和氯化钙混合溶液中12h形成微米凹坑,随后在含0.3wt%氟化铵和2vol%去离子水的乙二醇溶液中阳极氧化20min生成纳米管,最后采用原位水热法引入功能离子Sr（4.22at%）。SrTiO3纳米管具有较大的比表面积和粗糙度、良好的亲水性（7.6°）、粘附强度（10.51N）和耐腐蚀性（-0.32V）。涂层的羟基官能化表面有助于促进磷灰石的形核与生长,钙和磷从涂层释放到SBF中会导致样品附近溶液过饱和,从而加速磷灰石沉淀,展现出良好的生物矿化能力（第4章）。（3）基于微弧氧化和水热处理在纯钽表面制备“皮质状”掺锌（1.35±0.3wt%）陶瓷涂层。电解液由0.03M葡萄糖酸钙、0.01Mβ-甘油磷酸二钠和0.02M葡萄糖酸锌组成。表面粗糙度（Ra）从钽的0.137μm增加到蠕虫状涂层的1.884μm,并以受控且持续的方式释放Ca、P和Zn离子。与此同时,涂层表现出高结合力（18.9N）、优异的耐腐蚀性和磷灰石诱导能力,具有出色的生物活性。氧化物在电解质中的选择性溶解是“皮质状”微纳复合结构形成的关键,这也是与微弧氧化经典“火山口状”形貌的本质区别（第5章）。综上所述,通过调控3D打印功率、电解液组成、电参数等实现了三种微纳复合结构涂层的构建,其优异生物活性可能会在整形外科植入物中开辟潜在的应用。本文所揭示的微纳复合结构形成机制,微量功能元素的引入和生物活性的改善为金属表面功能化改性提供借鉴和依据,具有重要的理论价值和推广意义。
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