医用金属材料具有高强韧性、耐疲劳、易成形和耐腐蚀性等优良性能，既是临床应用最广泛且用量最大的主要生物医用材料，更是需要承受较高载荷的骨、齿等硬组织以及介入治疗支架的首选植入材料。而纳米医用金属材料具有更好的耐蚀性和生物相容性。本文总结了近年临床常用的医用金属材料通过表面纳米化处理带来的性能改变与提升，并对纳米医用金属材料目前存在的问题与发展前景进行讨论。

生物医用材料是用于器官或者组织检测、诊断、修复和替换的一类功能材料，按照基本组成成分可以分为医用金属材料、医用陶瓷材料和医用高分子材料[1-2]。其中，医用金属材料因具有高强韧性、耐疲劳、易成形和耐腐蚀性等优良性能，在临床获得广泛应用，根据能否在体内环境下降解，其又分为不可降解金属材料（钛合金、不锈钢等）和 可降解金属材料（镁合金、锌合金等）[3]。不可降解金属材料通常为生物惰性材料，例如骨科钛基植入物，而该类材料植入体内失败的一个重要原因就是其表面惰性引起的骨整合不良[4]。可降解金属材料在体液环境中容易释放有毒、有害物质，从而导致机体出现过敏、免疫排斥反应等，甚至危害生命健康[5]。如何改善和提高医用金属材料的生物学性能成为当下研究热点。

医用金属材料植入人体后，首先是材料表面与生物环境发生一系列相互作用，因此材料表面的生物活性（表面形态、微观结构、成分和特性）在对生物环境的响应中起着重要作用，这些特性影响蛋白质吸附，从而介导细胞在医用金属材料表面黏附和后期分化等生物功能[6]。医用金属材料表面的研究已成为生物材料和生物医学工程领域最热门的主题之一。众多表面技术中，纳米技术可以改善医用金属材料的诸多性能，比如提高金属的表面力学性能、生物学性能，改善金属植入物的服役行为和使用寿命等[7-9]。目前常用的表面纳米化技术包括滑动摩擦技术、机械研磨处理、表面喷丸处理等。现对利用表面纳米化技术制备的纳米不锈钢、钛合金、镁合金、纯钽的生物学性能研究进展作一综述，并讨论纳米医用金属材料目前存在的问题与发展前景。

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纳米不锈钢生物学性能

Balusamy 等[10]通过不同参数的机械研磨处理技术对 AISI 409 不锈钢进行表面纳米化改性，并对其在 NaCl 溶液中的电化学行为进行了分析。结果发现表面机械研磨处理参数适当（由处理引起的微应变和缺陷密度较小）时，获得的样品有着更高的腐蚀电位以及更低的腐蚀电流密度，耐腐蚀性显著提升。Hajizadeh 等[11]对生物级 316L 医用不锈钢粗晶（晶粒度约 80 μm）和纳米晶（晶粒度约 78 nm）样品的生物学行为进行了表征与评价。通过在模拟体液中的电化学腐蚀实验，发现与粗晶样品相比，纳米晶样品的腐蚀速率更低，而且纳米晶样品的腐蚀电流密度降低了 86.5%，耐腐蚀性也有明显改善。细胞培养实验也显示纳米晶样品有着更好的生物活性[11]。

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上述研究提示，纳米级不锈钢人体植入物的抗氯离子点蚀能力更好，纳米晶样品的高位错密度促进了铬（Cr）元素向晶界的扩散，在表面形成一层富 Cr 的钝化膜，从而大大提升了材料耐腐蚀性，降低金属离子的释放速度，进而降低了植入物引发的炎症、感染和过敏性疾病发生概率。

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纳米钛合金生物学性能

2.1 纳米纯钛

粗晶纯钛的显微结构呈等轴组织，平均晶粒度为 42 μm。经过滑动摩擦处理后的纳米晶纯钛其显微组织细化至纳米级，平均晶粒度< 100 nm。纳米晶纯钛的平均粗糙度和平方粗糙度分别为 6.15、 4.23 nm，远高于粗晶纯钛的 3.80、2.16 nm。因此，纳米晶纯钛具有较强的亲水性。动态极化曲线显示两者呈现类似的钝化区域，但与粗晶纯钛相比，纳米晶纯钛表现出相对较高的腐蚀电位（−0.56 V）和较低的腐蚀电流密度（0.548 μA/cm2）。Nyquist曲线显示纳米晶纯钛表现出较高的模值和相位角，表明其具有优异的电化学耐腐蚀性能；而且粗晶和纳米晶组织呈现相似的电容曲线，主要由线性部分和圆弧部分组成。较高的相位角和钝化膜阻抗值均证实纳米晶组织极大地提高了合金的耐腐蚀性能[12]。 2.2 纳米 Ti-6Al-4V 合金

粗晶和纳米晶 Ti-6Al-4V 合金的 X 射线衍射图谱显示后者半高峰较宽，分析是由于 Ti-6Al-4V 合金在组织细化过程中形成了纳米晶和发生了晶格畸变[13]。粗晶 Ti-6Al-4V 合金的显微组织由等轴 α相和少量的晶间 β 相组成，等轴 α 相的平均晶粒度为 5～10 μm，体积分数占有率约为 87.50%。纳米晶 Ti-6Al-4V 合金中等轴 α 相的平均晶粒度< 100 nm，纳米层厚度约为 20 μm。动态极化曲线显示纳米晶Ti-6Al-4V 合金有着较高的腐蚀电位、较低的腐蚀电流密度，以及较大的极化电阻，耐腐蚀性显著提高。 细胞毒性实验显示[13]，培养 3、7、14 d 时纳米晶 Ti-6Al-4V 合金表面的细胞显著多于粗晶 Ti-6Al-4V 合金，表明表面纳米化显著改善了 Ti-6Al-4V 合金的生物相容性。粗晶 Ti-6Al-4V 合金表面接触角为（72.4±3.6）°，纳米晶 Ti-6Al-4V 合金为（40.8± 2.1）°，纳米晶表面由于具有较高的亲水性从而促进了细胞的黏附与增殖，使得 Ti-6Al-4V 合金的体外生物相容性明显改善。 高端医疗设备展Medtec China技术论坛A：医疗器械诞生的助推器——创新医用材料/配件及精加工（一）议题覆盖医用塑料在医疗器械生产过程中的应用、汉高医疗行业创新解决方案、埃万特医疗级聚合物解决方案如何为您的体外诊断（IVD）应用增加价值、蔻兰多彩高性能材料解决方案在医疗行业的应用、医用功能性涂层在医疗器械中的应用等。

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纳米镁合金生物学性能

滑动摩擦处理可在镁合金 AZ31 表层形成等轴纳米晶粒，最表层平均晶粒度约为 70 nm，纳米晶表层厚度约为 70 μm，变形层厚度>800 μm[14]。变形层第二相得到明显细化，且分布更均匀。同时，滑动摩擦处理获得的纳米晶表面基面织构较处理前明显增强。电化学及浸泡实验均表明纳米晶镁合金的耐腐蚀性较粗晶明显提升，这得益于晶粒细化、基面织构增强及粗大第二相的破碎。镁合金的生物相容性与其耐腐蚀性息息相关，耐腐蚀性优良的镁合金材料具有良好的生物相容性，实验显示粗晶和纳米晶镁合金的浸提液均能促进 MC3T3-E1细胞的增殖，但 3 d 培养结果表明纳米晶镁合金浸提液的毒性远小于粗晶镁合金浸提液。

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纳米纯钽生物学性能

利用滑动摩擦技术在粗晶纯钽表面获得了晶粒度< 20 nm 的纳米晶，模拟体液中电化学测试（开路电位、极化曲线、阻抗谱）发现纳米晶纯钽耐腐蚀性较粗晶纯钽显著提升，原因是纳米晶表面生成了更厚的钝化膜[15]。此外，本团队研究发现纳米晶纯钽的高表面能和亲水性极大促进了 hFOB1.19 细胞的黏附、增殖及分化等生物学行为的改善。 5
纳米医用金属材料生物相容性

表面纳米化对医用金属材料耐腐蚀性和生物学性能的提升显而易见。对于不可降解的医用不锈钢、纯钛及其合金，与粗晶相比，纳米晶具有更好的亲水性能和蛋白吸附性能，具有优异的电化学耐腐蚀性能和钝化行为，同时材料的生物学性能得到极大改善，细胞在材料表面黏附、铺展和增殖良好。对于可降解的医用镁合金，与粗晶相比，纳米晶显著提高了金属基底的耐腐蚀性能和生物相容性，成骨细胞在表面呈现良好的增殖和分化趋势。这些结果与既往研究发现的超细晶或纳米晶材料具有优异耐腐蚀性能结果一致[16-17]。耐腐蚀性的提高可以归因于医用金属表面上自发形成的保护性钝化膜。通常，钝化膜优先生长在表面活性部位，由机械加工方法制备的纳米结构表面恰好提供了大量具有高活性的位错和晶界，使得纳米晶表面上的保护性钝化膜更厚、更致密、更均匀且缺陷更少[18]，该钝化膜在提高耐腐蚀性方面起主导作用。

高端医疗设备展Medtec China注意到，经表面纳米化处理的样品显著促进了蛋白质吸附和成骨细胞增殖，这说明优异的耐腐蚀性能还可以在一定程度上避免与释放医用金属中存在的有毒元素（例如钒、镁和铝）有关的不利影响，并创建更稳定的微环境，从而有利于细胞底物的细胞功能表达。

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纳米医用金属材料存在的问题与发展前景

由于医用金属材料表面纳米晶结构可以改善材料的力学性能、耐腐蚀性能和生物学性能，有效解决了金属材料植入中的实际问题，因此具有广阔应用价值和前景[15, 19]。例如，对于医用钛及其合金，表面惰性是限制其应用的主要问题，而纳米晶相对于粗晶的生物活性大大提高，细胞在其表面也呈现良好的黏附和增殖行为[20-21]；对于医用镁合金，降解速率过快是限制其应用的主要原因，而纳米晶表面提高了基底的耐腐蚀性能，降低了镁合金的降解速率[22-23]。

然而，纳米医用金属材料仍存在以下问题，限制了材料的广泛应用。① 如何制备厚度适宜的纳米晶层。目前已有的表面纳米化技术制备的纳米晶层厚度通常在 100 μm 以内，而纳米晶层厚度与材料的力学性能和耐腐蚀性能密切相关，因此急需新的工艺制备厚度适宜的纳米晶层。② 如何在复杂结构表面构建纳米晶层，目前基于 3D 打印的金属多孔材料是生物植入领域研究热点，如何在此类复杂结构金属材料的表面构建纳米层成为挑战。③ 设计具有溶解能力的纳米晶层，医用金属表面的纳米晶层应当具有一定溶解能力，例如骨科植入物表面涂层溶解速率与骨沉积的速率相似时，才能实现植入体表面与骨的良好接触和整合，因此需要提高纳米晶层的溶解能力。④ 纳米晶层在体内的生物学性能需要进一步深入研究。目前对于纳米晶层在体内的生物学行为及其相互作用机制缺乏深入研究，因此需要一系列大动物和人体植入试验来揭示纳米晶层对细胞生命行为的影响，甚至更深入地研究其对基因表达的影响。

来源： 中国修复重建外科杂志