钛合金由于具有密度小、比强度高、无磁性、弹性模量与人骨接近以及良好的生物相容性等优点,因此被广泛应用于人体硬组织替换及修复领域。然而,作为目前应用最为广泛的医用钛合金,Ti6A14V（TC4）依然存在耐磨性、耐蚀性以及生物活性差等缺点。研究表明,植入体表面在其与周围组织的相互作用中起到至关重要的作用,因此众多生物医用材料研究者一直致力于通过对植入体材料进行有针对性的表面改性进而实现植入体综合性能优化。金属钽（Ta）具有比Ti更为优异的生物相容性及耐蚀性,常被用于制造手术缝合以及颅骨修复材料等。Ta优异的耐蚀及生物活性主要是由其表面自发形成的钝化膜（Ta2O5）所引起的。但Ta高的密度以及昂贵的价格严重制约了其应用范围。利用表面改性技术将Ta基改性层沉积至钛合金表面可以最大限度地结合两类材料的优势,因此也是医用材料领域目前的研究热点之一。同时,植入体表面微米、纳米的仿生结构也会对周围组织的生物学响应产生很大的影响。例如,在钛合金表面制备的TiO2纳米管阵列被认为可以显著提高多种人体细胞的生物学性能。基于等离子表面合金化技术（PSAT）并结合阳极氧化工艺,在TC4合金表面制备了三类Ta基改性层:Ta涂层、Ta/TC4合金层、Ta2O5/TiO2纳米管阵列（NTAs）。通过逐步优化的方式,有针对性地提高TC4合金的耐蚀性、摩擦磨损性能、生物相容性以及骨生成能力。本研究的主要内容及结果如下:（1）利用PSAT工艺在TC4基体表面制备Ta涂层,探究合金化温度（750℃-850℃）以及时间（10 min-120 min）对涂层结合力的影响,并选择结合力最佳的一组样品进行深入表征及性能测试。结果表明,Ta涂层由Ta沉积层及Ta/TC4扩散层（合金层）构成。PAST温度对Ta涂层结合力的影响远大于时间,800℃制备的Ta涂层具有最佳的界面强度,并且随着合金化时间的延长而增大。Ta/TC4合金层厚度占Ta涂层的比例随着合金化时间延长而降低是Ta涂层硬度及耐磨性变差的主要原因。Ta涂层耐腐蚀性较TC4基体明显提高。体外细胞试验表明,Ta涂层相比于TC4基体具有良好的促进成骨细胞增殖、粘附、铺展、碱性磷酸酶（ALP）分泌以及细胞外基质（ECM）矿化能力。（2）在（1）的基础上,将PSAT温度提高到900℃并在处理结束后快速冷却,成功将Ta沉积层从Ta涂层表层去除,暴露出了表面为鳞片状微/纳米复合结构形貌的Ta/TC4合金层。研究表明,随合金化时间（30min-120min）的延长,Ta/TC4合金层的厚度、表面粗糙度逐渐增大。Ta/TC4合金层可以显著提高TC4合金的显微硬度、减磨耐磨性以及耐腐蚀性。随表面粗糙度增大,成骨细胞的活性和铺展能力基本保持稳定,早期粘附能力显著增强。此外,鳞片状结构还可能通过微米和纳米形貌的协同作用,一定程度上提高了成骨细胞的骨生成能力。（3）在（2）的基础上,对Ta/TC4合金层进行阳极氧化制备Ta2O5/TiO2NTAs,探究阳极氧化电压（1 V-90V）、时间（5 s-90min）、水含量（2vol.%-20vol.%）以及NH4F浓度（0 M-0.3 M）对Ta2O5/TiO2 NTAs生长的影响。结果表明,高的阳极氧化电压（＞30 V）、NH4F浓度（＞0.15 M）以及较长的氧化时间（＞60 min）有助于纳米孔阵列向NTAs转变,过高的水含量（＞10 vol.%）会加速NTAs化学溶解并导致其规整性变差且厚度降低。而鳞片状的微观结构只能在阳极氧化初期有所保留,最终会随着反应的持续进行被逐渐化学溶解,由板条状分布的NTAs取代,这是由Ta/TC4合金层的微观组织所决定的。（4）在（3）的基础上,选取形貌规整且尺寸适宜的Ta2O5/TiO2 NTAs作为研究对象,相同条件下制备的TiO2NTAs以及TC4、Ta/TC4合金层作为对照,对其进行了系统的表征及性能评价。结果发现,Ta2O5/TiO2 NTAs由非晶Ta2O5以及TiO2组成,与其余各组相比具有较高的表面粗糙度、亲水性以及膜基结合力,但耐蚀性略微变差。Ta2O5/TiO2 NTAs可以明显促进内皮细胞以及成骨细胞的早期粘附以及铺展,并促进内皮细胞的增殖,但对成骨细胞有轻微的抑制作用。Ta2O5/TiO2 NTAs表面的内皮细胞分泌血管内皮生长因子以及成骨细胞骨生成能力有明显提升,这主要是其NTAs的板条状分布以及生物活性的Ta2O5掺杂共同作用的结果。总之,利用PSAT结合阳极氧化工艺,实现了医用TC4合金表面Ta基改性层形貌及成分上的逐步优化。各组样品总体上均具有较好的耐磨性,膜基结合力先增强后减弱,耐腐蚀性逐渐减弱,生物相容性及骨生成能力有明显提升。该研究不仅为Ta基表面改性层相关领域的研究提供了一定的理论参考,同时也揭示了 Ta基改性层在医用金属领域的巨大潜力。