不锈钢表面TMS-PEO复合改性在生物医学应用中的力学与抗菌性能协同提升

本研究针对316L不锈钢植入体存在的弹性模量失配和细菌感染问题，创新性地采用三极磁控溅射(TMS)预镀钛层结合等离子电解氧化(PEO)技术，成功构建含Ca/P/Cu的多孔TiO2涂层。该涂层使弹性模量降低50%，显著抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌定植，为兼具力学适配性和抗菌功能的植入体表面改性提供了新策略。

　　

在骨科和牙科植入物领域，316L不锈钢凭借优异的机械强度和加工性能长期占据重要地位。然而这种材料存在两个致命缺陷：其刚性表面与人体骨骼的弹性模量不匹配会导致"应力屏蔽"效应，引发周围骨吸收；更棘手的是，植入体表面极易成为细菌的温床，金黄色葡萄球菌等病原体形成的生物膜可能导致灾难性感染。传统解决方案往往顾此失彼——增强生物活性的涂层可能削弱抗菌性能，而添加抗菌剂又可能影响细胞相容性。

针对这一难题，来自巴西圣卡塔琳娜联邦大学（Universidade Federal de Santa Catarina）的研究团队在《Surface and Coatings Technology》发表创新研究。他们采用三极磁控溅射(Triode Magnetron Sputtering, TMS)与等离子电解氧化(Plasma Electrolytic Oxidation, PEO)的复合工艺，在316L不锈钢表面构建出具有梯度功能的TiO₂基复合涂层。这种"两步走"策略首先通过TMS沉积5μm钛过渡层解决不锈钢非阀金属特性导致的PEO处理障碍，随后在含钙/磷/铜的电解液中实施PEO处理，最终获得厚度约4μm的多孔涂层。

关键技术包括：TMS系统采用网状栅极结构优化钛膜沉积质量；PEO过程在含Ca(CH₃COO)₂、C₃H₇CaO₆P和CuSO₄的电解液中以250V电压处理23秒；通过纳米划痕测试评估涂层结合力；采用大肠杆菌和金黄色葡萄球菌模型评价抗菌性能。

【结果与讨论】
表面特性：XRD证实涂层以锐钛矿相TiO₂为主，EDS显示Ca/P/Cu元素梯度分布，SEM观察到孔径5-10μm的互通多孔结构。这种形貌既促进骨细胞附着，又为铜离子缓释创造载体。

力学性能：纳米压痕测试显示涂层使弹性模量从200GPa降至100GPa，显著缓解应力屏蔽效应。划痕测试中涂层在50mN载荷下仍保持完整，证实其临床级结合强度。

生物功能：铜离子释放使大肠杆菌减少3个数量级，并通过干扰粘附机制抑制金黄色葡萄球菌生物膜形成。细胞实验显示涂层支持成骨细胞增殖，实现抗菌-促愈合双功能平衡。

这项研究的意义在于：首次实现不锈钢表面TiO₂-Cu复合涂层的可控制备，突破传统PEO技术对非阀金属的应用限制；提出的TMS-PEO协同策略为其他合金植入体表面功能化提供普适性方案；开发的Ca/P/Cu共掺体系为设计"智能"抗菌涂层开辟新途径。该技术已展示出解决植入体感染和骨整合不良这一临床痛点的巨大潜力，下一步需开展大型动物实验验证其长期稳定性。