钛(Ti)广泛用于牙种植体及其它骨科内植物领域,但Ti表面具有的生物惰性导致其生物活性难以满足需求。为提高Ti表面的生物活性,需对其进行表面改性。提高生物活性的主要途径为构建表面微结构(特别是由不同尺度结构复合而成的分级结构),提高亲水性和掺入生物活性物质。微弧氧化(Micro-arc Oxidation.MAO)是一种广泛应用于钛、镁(Mg)、铝(Al)等金属的电化学表面改性技术。通过微弧氧化能够在上述金属表面原位生长出金属氧化物陶瓷涂层,该涂层不仅具有陶瓷特性,通常还具有粗糙表面和高孔隙率,有利于生物活性的提高。但常规的微弧氧化涂层表面结构单一,缺乏分级结构特征,对生物活性的改善较为有限。如何通过构建分级结构和掺入生物活性元素进一步提高涂层的生物活性是微弧氧化技术在生物材料表面改性领域需解决的关键问题。本文采用四硼酸盐为电解液,在钛表面制备了具有“大脑沟回状”微纳米分级结构的二氧化钛(TiO2)微弧氧化涂层。该涂层将微米沟槽与亚微米/纳米孔洞有效结合,具有超亲水性。通过对该涂层特性和形成过程的系统研究,揭示了四硼酸盐体系下Ti表面分级结构微弧氧化涂层的形成机制。与传统微弧氧化涂层分立微米孔的形成过程不同,四硼酸盐电解液中涂层结构表现为微米孔“形核-横向长大”形成微米沟槽的过程。由于微弧氧化过程中氧化产物被四硼酸盐电解液及时充分溶解,微米级放电通道周围不形成明显的沉积物,使微米孔“形核”,并且放电通道附近亚微米/纳米孔得到保留,成为薄弱位点,易发生后续放电,使微米孔横向长大,形成微米沟槽,并与亚微米/纳米孔共同构成微纳米分级结构。在该涂层微纳米分级结构和超亲水性的共同作用下,间充质干细胞的粘附、铺展和成骨分化能力以及动物体内骨整合速率和效果得到显著增强。通过向四硼酸盐电解液中添加氧化锶和氧化钙,将具有生物活性的钙(Ca)和锶(Sr)元素以碳酸盐和氧化物的形式掺入TiO2微弧氧化涂层中,并形成一种微纳米孔分级结构。电解液中氧化物的加入以及电解液电导率的提高使微弧氧化过程中氧化物的形成速率增加,超出了四硼酸盐电解液的溶解能力,放电通道周围形成一定的沉积物,形成彼此独立的微米孔,与未被沉积物覆盖的亚微米/纳米孔复合成分级结构。电解液中不溶性氧化物在微弧氧化各阶段等离子体湮灭后,沉积到涂层表面,并在放电局部高温和电解液的冷却作用下形成非晶层。该涂层具有高孔隙度、分级结构和超亲水性,内部疏松多孔,并含有生物活性元素Ca和Sr。体外实验表明,细胞的粘附和铺展主要受涂层表面形貌结构影响,涂层释放的Ca和Sr元素在一定浓度范围内时能够促进间充质干细胞的成骨分化,一定浓度的Sr元素能够促进内皮细胞的血管形成。提出一种两步处理工艺,在钛表面制备出亚毫米凹坑,并将微纳米分级结构涂层叠加到亚毫米凹坑之上,形成亚毫米/微米/纳米三级结构TiO2涂层。在NaNO3和 NaOH混合电解液中,亚毫米凹坑在等离子体增强的腐蚀作用下形成,形状规则,分散均匀。配合超声酸洗处理,制备亚毫米凹坑后,不改变Ti表面成分,对后续微弧氧化处理几乎没有影响,是一种在TiO2涂层上复合亚毫米结构的有效方法。综上所述,以四硼酸盐电解液为基础,在钛表面制备分级结构微弧氧化涂层是提高种植体表面生物活性的有效方法。本文所揭示的分级结构形成机制可为钛表面分级结构的构建、生物活性元素的引入以及生物活性的提高提供借鉴和依据,具有重要的理论与工程应用价值。