钛合金优良的力学性能以及良好的生物相容性使其广泛应用于生物医药领域。随着植入物材料性能要求的不断提高，力学性能优异的高强模比新型医用钛合金逐渐被开发，同时，由于钛合金存在表面细胞粘附性差等骨整合问题，通过表面改性来提升钛合金生物相容性成为医用钛合金的研究焦点。本文概述了骨植入医用钛合金的发展历程和常用的表面改性涂层，侧重介绍了羟基磷灰石（HA）涂层、壳聚糖涂层以及利用阳极氧化法在钛合金表面制备的TiO2纳米管阵列涂层。总结了涂层结构、晶型、离子掺杂等对钛合金表面润湿性、细胞增殖分化的影响规律。指出在新型低弹性模量钛合金上，通过制备表面改性涂层，多种表面改性方法结合，提高植入物的骨整合能力以及实现功能化是未来医用钛合金表面改性的主要方向。
1骨植入医用钛合金表面改性涂层
研究表明，影响植入材料生物相容性以及骨整合能力的重要因素主要包括材料表面润湿性、粗糙度、成分以及晶体类型等。体液环境中，植入材料表面润湿性好，蛋白质容易吸附，更利于细胞粘附，此外，特定的表面形貌更有利于细胞分化生长。作为医用钛合金表面改性的重要方法，在合金表面构建合适的改性涂层，可以在保持合金耐腐蚀性能、力学性能的情况下对合金表面结构、表面成分、润湿性等予以调整，从而实现相容性和骨整合能力的提升。目前，骨植入医用钛合金表面改性涂层常见的主要包括羟基磷灰石（HA）涂层、壳聚糖涂层、TiO2纳米管阵列涂层，其中TiO2纳米管阵列由于是原位自生长的多孔结构涂层，往往能与其它涂层进行复合，达到更好的功能性。
1.1羟基磷灰石（HA）涂层
羟基磷灰石作为人体骨骼主要的无机成分，具有良好的生物相容性，能够起到骨传导与骨诱导的作用。HA与体液接触时，表面离子可以与水溶液中的离子发生交换作用，胶原蛋白和蛋白质等分子或离子可以吸附在它们的表面上，以产生生物膜和涂层。纯HA的机械性能差，不太适用于承重环境中，但通过在其他植入物表面制备HA涂层进行复合可以解决这个问题。HA涂层不仅可以在骨骼/植入物界面处实现紧密的化学键结合，而且还可以充当体液与金属植入物之间的屏障。HA涂层的改性效果与其制备方法和制备工艺密切相关，不同方法制备的HA涂层与基体的结合强度、结晶度、致密度等均存在差异。HA涂层与基体的结合强度是决定改性效果的关键因素之一，低的结合强度易导致改性失效，HA涂层的剥落可能会造成发炎等问题。相关研究表明，磁控溅射制备的HA涂层粘附强度可达到80MPa，高于热等静压、脉冲激光沉积、等离子喷涂、溶胶-凝胶法制备的涂层的结合强度（分别约为14，16，25以及26MPa）。目前制备HA涂层采用较多的方法为等离子喷涂法和电泳沉积法，电泳沉积法能涂覆形状较为复杂的基体。对热喷涂制备的HA涂层进行退火处理以减少残余应力，涂层的结合强度能够明显上升。对于热喷涂制备的HA涂层，热处理后的结合强度能够明显上升，这是由于热处理减少了残余应力。此外，为提高HA涂层的粘附强度，可以通过各种预处理技术如电子束刻蚀、微球喷砂、酸化学蚀刻和砂纸研磨等方法使钛合金表面粗糙化，或者在HA涂层与钛合金基体之间沉积过渡层。HA涂层本身特性，如结构、HA尺寸、结合强度等对植入材料生物相容性都有一定影响。HA涂层结晶度差异会对细胞行为产生影响，与高度结晶HA涂层相比，低结晶HA涂层表现出较低的成骨细胞增殖速率。研究发现，不同结晶度的HA纳米涂层和微米涂层显示出不同的溶解和再沉淀特性，无定性HA在体内表现出高的溶解度，据推测早期骨骼形成动力学与HA涂层的溶解度有关。通过退火或在高温（~℃）下沉积可以实现对HA涂层晶化程度的控制，退火过程将部分非晶涂层转变为结晶涂层，获得具有一定结晶度的结晶结构或离子取代的HA涂层。与片状HA涂层相比，针状结构涂层致密均匀，并且针状结构涂层提供了更多与周围液体的接触区域，因此更适合磷灰石的沉积。HA涂层微观结构还可以通过加温烧结改变，Dikici等发现在高于°C时烧结HA基涂层会导致HA分解为磷酸三钙（TCP），°C时烧结HA完全分解；涂层的孔隙率随着烧结温度的升高而上升。Hulbert等研究表明，多孔结构要使新的骨组织向内生长并为体液循环提供空间需要具有约μm的最小互连孔径的氧化物陶瓷，他们发现较小的孔径允许渗透组织的不完全矿化。对于HA涂层而言，完全致密的HA涂层并不利于细胞增殖分化，其诱导骨形成能力有限，主要用作骨形成支架。与微米尺寸的HA相比，纳米尺寸的HA具有超细的结构和较高的表面活性。纳米HA类似于人类硬组织的骨骼纹理中发现的矿物质，并具有相似的化学和晶体学结构，与微米HA相比，纳米HA更能改善细胞增殖和分化。
1.2壳聚糖涂层
除了HA一类的生物陶瓷被用作钛合金植入物表面涂层，壳聚糖作为一种天然有机化合物，因具有良好的生物相容性、抗菌性以及对细胞增殖分化的促进作用，也常常被用作钛合金植入物表面改性涂层。壳聚糖还具有较好的吸附能力，可在体内生物降解，无*害作用，且能够与羟基磷灰石等其他物质复合作为载体。通过控制壳聚糖涂层的厚度可以来调控药物的局部浓度，以便治疗术后感染、炎症而使植入物达到更好的骨整合来快速愈合。壳聚糖能与带负电荷的细菌细胞相互作用，从而达到抗菌作用，减少植入失败风险。虽然相比金属离子抗菌性稍低，但对人体更加安全。
1.3钛合金表面原位生长TiO2纳米管阵列涂层
TiO2纳米管结构可阻止金属离子（如Al，V等）的释放，缓解植入反应，其表现出比TiO2块体材料更好的耐蚀性能以及生物相容性。因此，在钛合金表面合成TiO2纳米管阵列涂层成为改善其医用性能的另一有效措施。
阳极氧化法常被用于在钛基材料表面制备TiO2纳米管阵列，从而形成具有近似骨骼多孔结构的TiO2氧化层涂层，通过改变阳极氧化电压、时长能够对TiO2纳米管阵列的管长及管径进行调控。采用阳极氧化法制备的TiO2纳米管阵列为不定型态，经过退火，阵列可由不定型转变为锐钛矿相或金红石相，在~℃退火后一般呈锐钛矿相，℃退火逐渐转变为金红石相。表面结晶度的增加降低了退火样品的水接触角，这让纳米管阵列表现出高的表面润湿性，使得蛋白质吸附以及细胞粘附更加容易，纳米管和晶体结构的协同作用加速了羟基磷灰石的沉积。有研究表明锐钛矿相表现出的诱导细胞分化或细胞增殖优于金红石相，锐钛矿相上更容易沉积羟基磷灰石。此外，Yu等发现直径相对较小的TiO2纳米管更有利于成骨细胞的粘附和增殖；直径相对较大的TiO2纳米管表现出更好的成骨分化能力，大纳米管在模拟氧化应激后拥有更出色的成骨潜力。当阳极氧化电压在一定范围内时，随着电压上升，纳米管长度、管径增加；随着氧化时长增加，试样表面粗糙度上升，接触角也随之变小。
Ti-6Al-4V合金是应用相对较多的生物医用材料，其由α+β相组成，在阳极氧化过程中两相的溶解度不同，纳米管管长在不同相区域存在差异，Mansoorianfar等利用二次阳极氧化于50~75V的电压条件下在Ti-6Al-4V合金上成功制备了均匀性良好的TiO2纳米管阵列，其形貌如图1所示，纳米管平均管长和管径随电压增大而上升。研究发现在60V电压下制备的试样显示出最佳的细胞活性，图2为各试样上培养的MG63骨髓基质细胞的MTT分析。
图1不同电压下阳极氧化Ti-6Al-4V的表面和横截面形貌：
（a~c）50V，（d~f）60V，（g~i）75V
图2Ti-6Al-4V在不同电压下阳极氧化试样与未处理试样表面培养MG63骨髓基质细胞的MTT分析（细胞活力/％）
在低弹性模量的生物钛合金上制备TiO2纳米管阵列层，既保证了植入材料的力学性能要求，也提高了生物相容性。Li等在Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn（Ti）钛合金表面制备了TiO2纳米管阵列层，纳米管-Ti（NTi）对比纯Ti、纳米管-Ti（NT）和Ti，表现出更高的润湿性、耐腐蚀性、细胞相容性以及骨整合能力。低弹性模量钛合金中由于加入了Nb、Zr等元素，阳极氧化后形成的氧化膜提高了其耐腐蚀性能，此外合金元素的加入使得纳米管阵列的有序性降低，管径大小存在差异，也有研究表明有序度低的阵列表现出更好的相容性。
目前，利用阳极氧化法表面改性钛基材料主要集中在纯钛和Ti-6Al-4V合金的研究上，研究者们探究了钛基植入物表面制备的TiO2纳米管阵列形貌、成分、晶体结构等与表面粗糙度、润湿性、细胞增殖分化之间的关系。新型医用钛合金的合金元素对阳极氧化法制备纳米管阵列涂层的形貌影响所获