退火处理和表面形貌对TiO₂纳米管在钛植入物插入测试过程中的机械稳定性的影响

生物通首页 > 今日动态 > 正文

退火处理和表面形貌对TiO₂纳米管在钛植入物插入测试过程中的机械稳定性的影响

时间：2026年2月15日

来源：Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials

编辑推荐：

TiO₂纳米管涂层通过500 °C退火优化粘附与结晶结构，SLA表面微腔保护纳米管免受植入剪切力损伤，协同提升骨整合应用潜力。

Mirella Manosso|Leonardo Villela|Ricardo D. Torres|Carlos M. Lepienski|Paulo Soares

巴西巴拉那天主教大学机械工程系，库里蒂巴 – PR

摘要

虽然二氧化钛（TiO₂）纳米管在增强牙科植入物的骨整合方面得到了广泛认可，但其临床应用受到机械稳定性差的严重限制，这通常会导致手术植入过程中涂层脱落。为了解决这一关键问题，本研究旨在通过退火优化TiO₂纳米管的粘附性能，并评估基底表面形貌在模拟植入过程中的保护作用。纳米管通过在机加工和喷砂处理后的大颗粒酸蚀（SLA）钛基底上进行阳极氧化制备，随后在300°C至700°C范围内进行退火处理。结果表明，500°C的退火温度实现了锐钛矿结晶度和粘附稳定性的最佳平衡，从而获得了最高的粘附强度。然而，模拟植入测试显示，仅靠高粘附性是不够的；在光滑的机加工表面上，纳米管会因剪切力而发生大面积剥落。相比之下，SLA基底表现出独特的机械防护效果，其内在的微孔结构有效保护了纳米管免受摩擦损伤。研究表明，将SLA表面形貌与500°C退火结合使用，可以形成协同防御机制，保持生物活性涂层的完整性，克服纳米结构植入物临床应用的主要机械障碍。

引言

二氧化钛（TiO₂）纳米管（NTs）由于具有高表面积、优异的生物相容性和化学稳定性，在生物材料领域引起了广泛关注，使其成为提升基于钛的生物医学植入物性能的理想候选材料。这些纳米结构能够调节细胞-材料相互作用，促进骨整合，并作为高效的局部药物输送系统，从而改善骨科和牙科植入物的临床效果（Fu和Mo，2018；Indira等人，2015；Jafari等人，2020；Park等人，2024；Yang等人，2018）。它们的天然抗菌性能和在生物传感中的应用进一步扩展了其生物医学用途（Chen等人，2010；Fu和Mo，2018；Kunrath等人，2024；Savargaonkar等人，2023；Zhang等人，2020）。

然而，这些有前景的生物学成果与临床应用所需的机械可靠性之间存在显著差距。尽管TiO₂纳米管具有优异的生物活性，但其高长径比的机械脆弱性仍是其临床应用的主要障碍。研究表明，在植入物手术插入骨骼过程中产生的剪切力可能超过纳米结构层的凝聚力和粘附强度（Yin等人，2025；Zhang等人，2021）。

这种机械过载常常导致纳米管脱落或破裂，使碎片释放到植入物周围组织中，而此时生物活性表面正是最需要的（Alves等人，2018）。因此，在高扭矩插入条件下确保这些涂层的结构完整性不仅是一个优化步骤，更是其功能可行性的前提条件。

TiO₂纳米管改性植入物的功能特性，特别是其对基底的粘附性、机械强度和晶体结构，严重依赖于合成和后处理参数（Cao等人，2018；Durdu等人，2021）。其中，退火是一个关键步骤，它将非晶态的阳极氧化纳米管转化为热力学稳定的晶体相（锐钛矿和/或金红石），从而显著影响机械和生物学效果（Albu等人，2010；Bai等人，2011；Fontes等人，2020）。

一些研究表明，退火温度显著影响纳米管的形态、结晶度、粘附强度和生物活性（Çaha等人，2021；Zhang等人，2004）。例如，中等温度（约400-450°C）下的退火通常会产生锐钛矿相，这与最佳的成骨细胞粘附和增殖相关；而较高温度（约600°C及以上）则促进金红石的形成，这可能会增强某些机械性能，但也会增加纳米层致密化或塌陷的风险，从而影响形态和功能完整性（Albu等人，2010；Cao等人，2018；Dias-Netipanyj等人，2020；Fang等人，2011；Huang等人，2017；Varghese等人，2003；Zhang等人，2018）。这些热激活变化还会影响阳极氧化过程中残留杂质的去除（例如氟化物），进一步调节纳米管的性能（Fang等人，2011；Huo等人，2014）。然而，尽管进行了大量研究，对于控制退火条件如何影响实际植入和功能加载情况下TiO₂纳米管的粘附性和机械韧性仍缺乏充分了解，尤其是考虑到它们的固有脆弱性（Cao等人，2018；Hanaor和Sorrell，2011；Zhang等人，2018）。

尽管在阐明TiO₂纳米管结晶度与局部生物反应之间的关系方面取得了显著进展，但在有效保护纳米管在手术植入过程中的粘附性和结构完整性方面仍存在明显不足。由于纳米管本身的脆弱性，它们在植入过程中遇到的机械应力下容易发生断裂或剥离，最终影响其预期功能。一种有前景的假设是，使用喷砂处理后的大颗粒酸蚀（SLA）表面（该表面具有凹坑和粗糙的形貌）可以为位于这些凹陷中的纳米管提供物理保护，帮助其在整个植入过程中保持完整性。

因此，本研究的目标有两个：（i）系统研究退火条件如何影响TiO₂纳米管的机械性能和基底粘附性；（ii）评估SLA表面特征是否能在模拟临床植入过程中有效保护纳米管结构，从而支持其在生物医学植入物中的实际应用。

样本制备

使用商业纯度为4级的钛板（30 × 20 × 1毫米；Acnis do Brasil）和牙科植入物（Alvim，直径4.3 × 13毫米；Neodent，巴西），这些植入物具有机加工或商业SLA表面（喷砂处理后的大颗粒酸蚀表面），作为形成TiO₂纳米管层的基底。钛板用#1200 SiC砂纸进行机械抛光，以达到一致的表面光洁度。随后将样品依次在丙酮（分析级）和异丙醇中超声清洗5分钟。

TiO₂纳米管微观结构

顶视图扫描电子显微镜（SEM）图像（图1）显示，在未经退火（WA）和经过300-500°C退火后的钛板上，TiO₂纳米管（NTs）形成了连续、均匀的层。在这个温度范围内，纳米管阵列在整个表面上表现出相似的形态。在600°C时，开始出现结构退化的迹象，包括管壁变粗和部分塌陷。在700°C时，出现了分散的金红石晶体，管状结构基本丧失，表明纳米管发生了严重退化。

结论

根据不同温度下退火的TiO₂纳米管的微观结构演变、机械行为和粘附性结果，可以得出以下结论：

•

退火温度决定了TiO₂纳米管的晶体相变和形态完整性。500°C以下的退火处理促进了锐钛矿相的形成，同时保持了开放的管状结构。相反，600°C和700°C的退火处理则主要形成了金红石相。

CRediT作者贡献声明

Paulo Soares：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目规划、方法论制定、资金获取、概念构思。Carlos M. Lepienski：数据可视化、验证、方法论制定、数据分析。Ricardo D. Torres：撰写 – 审稿与编辑、验证、资源管理。Leonardo Villela：方法论制定、实验研究、数据分析。Mirella Manosso：原始草稿撰写、方法论制定、实验研究、数据分析。