引言
Ti6Al7Nb作为新一代骨科植入材料，因其生物相容性和适宜的力学性能（如较低弹性模量）受到广泛关注。与传统Ti6Al4V合金相比，其以铌替代钒，提升了长期植入的生物安全性。然而，Ti6Al7Nb表面具有生物惰性，限制了其与骨组织的整合能力。阳极氧化（anodization）技术可在钛合金表面构建高度有序的纳米管结构，通过调控电化学参数（如电压、时间）可精确控制纳米管的长度、孔径、粗糙度等拓扑特征，从而改善植入体的生物活性和力学稳定性。本研究首次在固定纳米管长度（~1 μm和~4 μm）的条件下，系统研究孔径变化对Ti6Al7Nb腐蚀行为、力学性能及成骨细胞响应的协同影响。
材料与方法
采用直径18 mm的Ti6Al7Nb棒材切割为1 mm厚圆片，经丙酮、乙醇和超纯水超声清洗后，在含0.7 wt% NH4F和2.5 M H3PO4的乙二醇电解液中进行阳极氧化。通过调控电压（10 V、25 V、40 V）和时间（40–720 min）分别制备~1 μm（S组）和~4 μm（L组）长度的纳米管。利用扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）表征表面形貌与粗糙度，X射线光电子能谱（XPS）分析表面化学成分。电化学性能通过塔菲尔曲线和电化学阻抗谱（EIS）评估，力学性能采用微划痕测试仪测定临界载荷。生物学实验通过MTT法和荧光染色（DAPI/Phalloidin）评估人成骨细胞（hFOB 1.19）的增殖与形态。
结果与讨论
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纳米管形貌调控：SEM结果显示，随着电压从10 V升至40 V，短纳米管（S组）的孔径从24±2 nm增至81±8 nm，长纳米管（L组）从22±2 nm增至97±6 nm。纳米管呈锥形结构，底部直径均大于顶部。AFM分析表明NT10-S样品具有最高表面粗糙度（Sq=21.2 nm）和表面积（1.5 μm²）。
- 2.
腐蚀行为：塔菲尔测试显示，NT10-S的腐蚀电流密度（Icorr=203.9 nA）最低，较未处理样品（NA）降低49%，而NT40-L的Icorr最高（1620.0 nA）。EIS分析进一步证实NT10-S的电荷转移电阻（Rct）最大，表明其最优异的腐蚀防护能力。XPS分析揭示NT10-S表面铌（Nb）含量最高（1.8 atom%），其形成的Nb2O5具有更宽禁带宽度和热力学稳定性，有助于抑制电子转移；同时该样品氟（F）残留较少，减少了腐蚀促进效应。
- 3.
力学性能：微划痕测试中，NT10-S的临界载荷最高（0.16±0.02 N），NT40-S最低（0.11±0.01 N）。小孔径纳米管因更高的堆积密度和表面粗糙度，增强了氧化物层与基体的结合力，减少了分层风险。
- 4.
表面化学与亲水性：XPS证实阳极氧化后表面形成Ti4+、Nb5+、Al3+等氧化物态及羟基（-OH）。接触角测试显示NT10-S亲水性最佳（25.1°），NA样品为58.9°。表面羟基和纳米粗糙结构共同促进了水分子吸附与蛋白质结合。
- 5.
生物学响应：培养5天后，NT10-S上的成骨细胞增殖较NA提升47%，细胞铺展良好且肌动蛋白丝排列有序。小孔径纳米管（15–20 nm）更利于整合素簇形成和细胞黏附，而高亲水性与表面化学优化了纤维连接蛋白等生物分子吸附，进而激活细胞内信号通路促进成骨分化。
结论
通过阳极氧化在Ti6Al7Nb表面构建的纳米管结构，其尺寸（长度与孔径）显著影响植入体的综合性能。短纳米管（~1 μm）结合小孔径（~24 nm）结构（NT10-S）在腐蚀防护、力学稳定性及成骨细胞响应方面均表现最优，为设计高性能骨科植入体提供了可靠的表面工程策略。
