医用钛合金因具备优异的力学性能（抗拉强度达 800-1200MPa）、良好的耐腐蚀性（在人体体液中年腐蚀速率低于 0.01mm）及低密度（4.5g/cm³，仅为不锈钢的 60%），成为人工关节、牙科种植体、骨固定板等植入类医疗配件的核心材料。然而，纯钛合金表面生物活性较低，易引发植入后异物反应（如纤维包膜形成），且与骨组织的结合强度不足，可能导致配件松动、失效。因此，通过表面处理技术提升钛合金的生物兼容性，成为医用配件加工领域的关键研究方向。本文系统梳理当前主流的生物兼容性表面处理技术，分析其原理、性能优势及应用局限，为医用钛合金配件的加工优化提供技术参考。
一、氧化处理技术：构建 “天然防护 + 生物活性” 双重屏障
氧化处理是通过化学或物理手段在钛合金表面生成氧化膜，既增强材料耐腐蚀性，又提升生物兼容性，是医用钛合金配件加工中应用最广泛的基础表面技术。
阳极氧化技术通过在电解质溶液（如硫酸、磷酸）中施加电压，使钛合金表面形成多孔氧化膜（TiO₂），膜层厚度可通过电压（10-100V）与处理时间（10-60min）调控，通常控制在 5-20μm。该技术的核心优势在于可通过调整工艺参数改变氧化膜的孔隙结构（孔径 50-200nm），为细胞黏附提供 “锚定位点”。例如，牙科种植体加工中，采用 20V 电压、30min 处理的阳极氧化工艺，可使种植体表面形成蜂窝状多孔结构，骨细胞在膜层表面的黏附率较未处理钛合金提升 40%，且氧化膜与基体结合强度达 50MPa 以上，避免植入后膜层脱落。不过，阳极氧化膜的生物活性依赖后续羟基化改性（如浸泡在 NaOH 溶液中），否则难以直接诱导骨组织生长。
微弧氧化技术（MAO）是在阳极氧化基础上发展的进阶工艺，通过施加高频高压（100-500V），使钛合金表面产生微弧放电，在高温高压环境下生成厚度达 10-50μm 的陶瓷氧化膜（主要成分为 TiO₂、Al₂O₃）。相较于阳极氧化，微弧氧化膜的硬度更高（HV800-1200，是钛合金基体的 3-4 倍），耐腐蚀性更强（在模拟体液中腐蚀电流密度降低 2-3 个数量级），且膜层表面粗糙度（Ra1.5-3.0μm）更适配骨组织生长。例如，人工髋关节柄加工中，采用微弧氧化处理后，柄部与骨组织的骨结合强度达 15MPa，较传统阳极氧化提升 60%，且术后 5 年松动率从 8% 降至 2%。但该技术存在能耗高（每平方米处理面积耗电 5-8kWh）、膜层易出现微裂纹的问题，需通过后续封孔处理（如硅烷处理）弥补缺陷。
二、涂层沉积技术：实现 “功能定制化” 生物改性
涂层沉积技术通过在钛合金表面制备功能性涂层，赋予材料特定生物性能（如抗菌、骨诱导），是解决复杂医用配件（如脊椎融合器、心血管支架）生物兼容性的核心技术路径。
羟基磷灰石涂层（HA）沉积技术是目前应用最成熟的生物活性涂层技术，羟基磷灰石（Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂）的化学成分与人体骨组织无机成分高度一致，可直接诱导骨组织生长。主流沉积工艺包括等离子喷涂（APS）与电化学沉积（EPD）：等离子喷涂通过高温等离子焰（8000-12000℃）将 HA 粉末熔覆在钛合金表面，形成厚度 50-150μm 的涂层，涂层与基体结合强度达 30-50MPa，适用于人工关节、骨固定板等负重配件；电化学沉积则通过在含钙磷离子的电解液中施加电流，使 HA 颗粒在钛合金表面均匀沉积，形成厚度 1-10μm 的超薄涂层，且可精准覆盖复杂结构（如种植体螺纹槽），适合牙科种植体、微创伤配件加工。例如，某骨科器械企业采用等离子喷涂 HA 涂层的人工膝关节，术后 1 年骨整合率达 95%，较未涂层产品提升 25%。但 HA 涂层存在脆性大（断裂韧性 1.5-2.0MPa・m¹/²）、易在长期负重下剥落的问题，需通过添加氧化锆（ZrO₂）颗粒进行增韧改性。
类金刚石涂层（DLC）沉积技术通过物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）在钛合金表面制备含碳涂层，兼具高硬度（HV1500-2500）、低摩擦系数（0.05-0.15）与良好生物相容性，主要用于心血管支架、人工关节轴承等需减少摩擦磨损的配件。例如，心血管支架加工中，采用 CVD 工艺制备的 DLC 涂层，可降低支架与血管壁的摩擦系数，减少血管内膜损伤，同时涂层的血液相容性优异，血小板黏附率较未涂层支架降低 70%，有效降低血栓风险。不过，DLC 涂层存在与钛合金基体结合强度较低（通常＜20MPa）、长期植入后易降解的问题，需通过在涂层与基体间制备过渡层（如 Cr、TiN）提升结合性能。
三、生物活性因子固定技术：精准调控 “细胞 - 材料” 相互作用
生物活性因子固定技术通过在钛合金表面接枝生长因子、抗菌肽等生物分子，实现对细胞行为（如增殖、分化）的精准调控，是医用钛合金配件表面处理技术的前沿方向。
化学接枝技术利用硅烷偶联剂、EDC/NHS 交联剂等化学试剂，将生物活性因子（如骨形态发生蛋白 BMP-2、抗菌肽 LL-37）共价结合在钛合金表面，具有结合牢固、因子活性保留率高的优势。例如，牙科种植体加工中，通过硅烷偶联剂将 BMP-2 接枝在阳极氧化处理后的钛合金表面，BMP-2 的负载量可达 500ng/cm²，且在模拟体液中可持续释放 28 天以上，能显著促进成骨细胞分化，种植体骨结合时间从 3 个月缩短至 1.5 个月。但化学接枝过程需严格控制反应条件（如 pH 值、温度），否则易导致因子失活，且批量生产中试剂成本较高（每平方米处理面积成本超 1000 元）。
静电自组装技术（LbL）利用正负电荷相互作用，将带相反电荷的生物活性因子与聚合物（如壳聚糖、透明质酸）交替沉积在钛合金表面，形成多层复合膜。该技术操作简单（常温常压下即可进行）、膜层厚度可控（每层厚度 1-10nm），且可同时负载多种生物因子（如 BMP-2 与抗菌肽），实现 “骨诱导 + 抗菌” 双重功能。例如，脊椎融合器加工中，采用 LbL 技术制备的 BMP-2 / 壳聚糖复合膜，不仅使融合器的骨诱导能力提升 50%，还能抑制金黄色葡萄球菌生长，术后感染率从 5% 降至 0.5%。但静电自组装膜的机械稳定性较差，在植入过程中易因摩擦导致膜层脱落，需通过交联处理（如京尼平交联）增强膜层强度。
四、技术瓶颈与未来发展方向
当前医用钛合金配件表面处理技术仍面临三大核心瓶颈：一是 “性能协同性” 不足，例如高硬度涂层（如 DLC）往往生物活性较低，而高生物活性涂层（如 HA）又存在力学性能缺陷；二是 “长期稳定性” 待提升，多数表面处理层在人体体液中长期浸泡后，易出现降解、剥落，影响配件使用寿命；三是 “成本 - 效益” 失衡，先进表面技术（如生物活性因子固定）的加工成本较高，难以在中低端医用配件中普及。
未来发展需聚焦三大方向：其一，开发 “多技术融合” 工艺，例如将微弧氧化与 HA 涂层沉积结合，先通过微弧氧化构建高结合强度的陶瓷基底，再沉积 HA 涂层，实现 “高硬度 + 高生物活性” 协同；其二，推动 “智能化表面处理”，利用 AI 算法优化工艺参数（如微弧氧化的电压 - 时间曲线），提升涂层性能稳定性，同时通过数字孪生技术模拟表面处理层在人体中的降解过程，实现 “精准设计”；其三，探索 “绿色低成本” 技术，例如采用植物提取物（如茶多酚）替代化学试剂进行表面改性，降低处理成本，同时减少环境污染。
医用钛合金配件的生物兼容性表面处理技术，是连接材料性能与临床需求的关键桥梁。从基础的氧化处理到前沿的生物因子固定，每类技术均有其独特优势与适用场景，需根据配件的临床功能（如负重、抗菌）、结构特点（如复杂曲面、微型尺寸）及成本预算综合选择。未来，随着材料科学、生物医学与智能制造技术的深度融合，医用钛合金表面处理技术将向 “高性能、长寿命、低成本” 方向发展，为植入类医疗配件的性能升级提供核心支撑，最终实现 “材料 - 人体” 的完美适配，提升患者的治疗效果与生活质量。
