通过激光氮化在β-TNZT合金上制备用于髋关节植入的抗菌表面

摘要： 英国国家关节登记中心报告显示，髋关节植入物翻修手术的主要原因包括无菌性松动、感染及颗粒碎屑引发的软组织不良反应。通过结合低弹性模量的β钛合金（TNZT）与激光表面氮化技术来改善力学性能和生物反应，对提升植入物特性具有重要需求。虽然氮化钛（TiN）具有良好的生物相容性和显著的抗菌性能，但其作为Ti-35Nb-7Zr-6Ta涂层在干细胞反应及特定激光功率（35、40和45 W）下的抗菌效果尚未得到研究。研究采用递增功率对TNZT表面进行激光氮化处理，微观尺度分析包括表面粗糙度与形貌（白光干涉仪和扫描电镜）、微观结构（X射线衍射）及润湿性（水接触角）。生物实验包含间充质干细胞（MSC）荧光染色24小时体外培养及金黄色葡萄球菌（S. aureus）活/死染色。样本组包括对照组基体金属（BM）、35 W（LT35）、40 W（LT40）和45 W（LT45）激光氮化组。结果显示激光氮化显著增加表面粗糙度（BM的Ra值为199.3 nm，LT35为722.8 nm，LT40为458.4 nm，LT45为1180.2 nm），并形成独特表面特征（Rsk<0且Rku>3）。无论激光功率如何，氮化后表面均可调整为亲水性（27.1–34.2°）。光纤激光氮化能在高功率区间于TNZT表面形成抗菌图案，其中45 W功率效果最显著，产生的重叠新月形图案随功率增加更为明显。综上，激光氮化表面具有显著抗菌效果，但对MSC反应无特殊优势。