微弧氧化又稱等離子體電解質(zhì)氧化、陽極火花沉積，是一種通過調(diào)節(jié)電解液成分和電參數(shù)，在電弧放電產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫高壓作用下，于鋁、鎂、鈦等金屬及其合金表面形成致密陶瓷氧化膜的表面改性技術(shù)。
近年來，生物醫(yī)用金屬材料因具有良好的機(jī)械性能、生物相容性能和優(yōu)異的加工性能及許多其他醫(yī)用材料不可替代的優(yōu)良性能 ，被廣泛應(yīng)用于臨床植入材料，例如：鈦合金可用作口腔種植材料 ，鎂合金可用作心血管支架 ，鋅合金可用作骨科植入物。作為優(yōu)質(zhì)的生物醫(yī)用材料，不僅要保證材料的力學(xué)性能、生物相容性、抗菌性能和釋藥性能，減少金屬在植入過程中帶來的組織損傷，同時(shí)還要在對人體不產(chǎn)生排斥的情況下促進(jìn)相應(yīng)組織的愈合和生長。
植入材料的感染問題與手術(shù)的成敗有很大關(guān)系，因此研發(fā)出具有抗菌性能和抗炎性能的植入體材料十分必要。微弧氧化可以將生物活性元素加入到電解液中，從而嵌入到氧化膜涂層上，進(jìn)而改善金屬表面的生物相容性和抗菌性能。
1、微弧氧化技術(shù)對金屬植入物抗菌能力的調(diào)節(jié)作用
1.1 單獨(dú)應(yīng)用微弧氧化技術(shù)
鈦及其合金由于其優(yōu)異的機(jī)械性能和生物相容性而被廣泛用于醫(yī)療植入裝置(人工關(guān)節(jié)、骨固定器、脊柱固定器、牙科植入物等)。細(xì)菌黏附于植入物表面后，能夠形成細(xì)菌微菌落、分泌胞外聚合物并形成生物膜，在生物膜的保護(hù)下細(xì)菌極易在材料表面增殖，從而導(dǎo)致感染，這也被認(rèn)為是口腔科和骨科植入手術(shù)失敗的主要原因。由于銅、鋅和銀等金屬成分具備良好的抗菌性能，所以研究者經(jīng)常采用微弧氧化技術(shù)將上述元素添加到材料表面涂層中。
(1) 應(yīng)用微弧氧化技術(shù)添加銅：銅具有很強(qiáng)的抗菌作用，并已被用于修飾醫(yī)用鈦的表面。
KANG 等采用微弧氧化在鈦表面制備了摻雜不同濃度銅元素的具備火山形微孔表面形貌的二氧化鈦涂層，抗菌實(shí)驗(yàn)表明，摻雜銅的二氧化鈦涂層對金黃色葡萄球菌和牙齦卟啉單胞菌具有良好的抑菌性能。
鎂及鎂合金由于可吸收、良好的生物相容性和與天然人體骨相似的機(jī)械性能等優(yōu)勢，在骨修復(fù)材料研發(fā)中得到越來越多的青睞。但鎂及其合金的抗菌效果較差，為了改善鎂合金的抗菌性能，有學(xué)者利用微弧氧化將銅摻入到鎂合金表面，實(shí)驗(yàn)表明不同 Cu2+ 含量的涂層對材料抗菌活性的影響不同。
(2) 應(yīng)用微弧氧化技術(shù)添加鋅：鋅在 DNA 合成、核酸代謝、生物礦化等生物功能中發(fā)揮著重要的作用，同時(shí)鋅還具有優(yōu)異的抗菌性能。
YE 等在鈦表面制備了摻雜鋅的雙層結(jié)構(gòu)鍍層，該雙層結(jié)構(gòu)的表面層完全由包含鈦、氧和鋅元素的非晶態(tài)組成，其中鋅以弱化Zn-O鍵的形式存在，隨著微弧氧化電壓的升高，表面非晶態(tài)鋅的摻雜劑量會(huì)增加，弱化的Zn-O鍵可調(diào)控Zn2+的釋放和活性氧的產(chǎn)生。
(3) 應(yīng)用微弧氧化技術(shù)添加銀：銀具有較強(qiáng)的抗菌活性，對哺乳動(dòng)物的細(xì)胞毒性很小，還能夠加速傷口的愈合，近年來已被用于各類醫(yī)療器械中。
有學(xué)者直接通過一步微弧氧化將銀和鍶摻入到多孔二氧化鈦涂層中，該涂層展現(xiàn)了較強(qiáng)的短期和長期抗菌能力，抗菌實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)銀含量為 0.58%、鍶含量為 1.85% 時(shí)，涂層對金黃色葡萄球菌的抗菌率在 24h 后達(dá)到了 100%；在磷酸緩沖鹽溶液中浸泡 30d 后仍保持了相當(dāng)強(qiáng)的抗菌性能 。
(4) 應(yīng)用微弧氧化技術(shù)添加錳：在鈦基植入物表層摻入錳被認(rèn)為是制備生物活性表面的一種有前途的方法。
錳既可以提高成骨活性又可以抑制細(xì)菌增殖，特別是針對革蘭陰性大腸桿菌和銅綠假單胞菌。ZHAO 等通過微弧氧化在鈦表面制備了 Mn-TiO2 微孔生物涂層，體外實(shí)驗(yàn)表明該涂層可造成大腸桿菌收縮、細(xì)胞壁穿孔與細(xì)胞膜破裂，對大腸桿菌的增殖有抑制作用，并且抗菌能力隨錳含量的增加而增加。
(5) 應(yīng)用微弧氧化技術(shù)添加鉍：鉍化合物不僅已成功用于治療黏膜和真皮感染，而且被認(rèn)為是磷酸鈣骨水泥中的抗菌添加劑。
LIN 等通過微弧氧化制備了摻雜鉍的二氧化鈦涂層，結(jié)果表明 48h 內(nèi)該涂層上伴放線桿菌和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌的菌落數(shù)減少率分別為 88% 和 89%，表明該涂層能夠抑制伴放線桿菌和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌的生長。
(6) 應(yīng)用微弧氧化技術(shù)添加非金屬：微弧氧化技術(shù)還可以將其他非金屬材料摻入到涂層內(nèi)部。
SUN 等將不同含量的自組裝氧化石墨烯通過微弧氧化技術(shù)添加到鈦表面，制備出具有誘導(dǎo)牙本質(zhì)樣礦化和預(yù)防感染能力的改性鈦基牙髓封閉材料，結(jié)果表明Ti-MAO-1.0 mg/mL 氧化石墨烯涂層對變形鏈球菌的抗菌率為 (90.81±4.02)%。
1.2 微弧氧化與其他表面改性技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用
微弧氧化技術(shù)中的電壓、時(shí)間、溫度、電解液成分等因素均會(huì)影響涂層的表面形貌和成分，從而影響涂層的表面性能。孔隙率高且孔隙直徑大的微弧氧化膜疏松層，不僅影響微弧氧化膜的表面質(zhì)量，還加快了腐蝕介質(zhì)侵蝕基體的速度。微弧氧化與其他表面改性技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用既可以有效解決孔隙對材料表面性能的影響，還可以賦予涂層良好的抗菌活性、細(xì)胞相容性和促成骨活性，抵消元素帶來的細(xì)胞毒性。
微弧氧化與其他表面改性技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用可分為兩種類型 ：第一種是聯(lián)合其他表面改性技術(shù)向微弧氧化涂層中摻入功能性元素，如水熱處理、磁控濺射、浸漬涂覆等；第二種是聯(lián)合其他表面改性技術(shù)改善微弧氧化涂層的物理形貌，如超聲輔助微弧氧化、高能噴丸等。
(1) 聯(lián)合其他技術(shù)向微弧氧化涂層中摻入功能性元素：光療包括光熱治療和光動(dòng)力治療，被認(rèn)為是治療細(xì)菌感染的有效方法。
CHAI 等采用微弧氧化、水熱處理和靜電鍵合等復(fù)合工藝在鈦表面成功制備了二氧化鈦/二氧化鉬/殼聚糖涂層，在高溫和活性氧的協(xié)同作用下，涂層在 808nm 近紅外光照射 15min 后，體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)均表現(xiàn)出對變形鏈球菌的良好抗菌能力。
(2) 聯(lián)合其他技術(shù)改善微弧氧化涂層的物理形貌：超聲輔助微弧氧化被認(rèn)為是生產(chǎn)高質(zhì)量鈦基骨科植入物的一種有前途的表面改性方法。
LV 等通過超聲輔助微弧氧化構(gòu)建多層鋅改性二氧化鈦涂層，培養(yǎng) 24h 后微弧氧化處理涂層組抗菌率為 77.6%，而經(jīng)超聲輔助微弧氧化處理涂層的抗菌率接近 90%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明超聲波能顯著提高鋅改性二氧化鈦涂層的殺菌效果。
表 1 ｜含有抗菌機(jī)制實(shí)驗(yàn)匯總
2、微弧氧化技術(shù)對金屬植入物抗炎能力的調(diào)節(jié)作用
生物材料的表面特性 ( 表面形貌、粗糙度和孔隙率等 ) 能影響蛋白質(zhì)黏附，形成的蛋白質(zhì)層可以進(jìn)一步介導(dǎo)凝血系統(tǒng)、補(bǔ)體系統(tǒng)、血小板和免疫細(xì)胞的狀態(tài)，也會(huì)影響免疫炎癥細(xì)胞的進(jìn)一步募集和黏附。研究者可以通過更改生物材料的表面涂層來修飾支架表面物化性能，以調(diào)整促炎級聯(lián)反應(yīng)的啟動(dòng) ，因此生物材料的表面特性在抗炎癥和促傷口愈合反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用。由此可知，細(xì)胞和生物材料之間的界面是決定軟組織和硬組織能否成功再生的關(guān)鍵。
金屬涂層
LI 等采用微弧氧化技術(shù)在鈦基體上制備了含鎂的二氧化鈦涂層，結(jié)果表明鎂可以作為抑制炎癥和介導(dǎo)成骨的抗炎劑，在與生物材料整合后可以賦予骨生物材料抗炎特性。
非金屬涂層
有學(xué)者描述了一種用羥基磷灰石納米顆粒裝飾的微孔二氧化鈦涂層，該涂層是通過微弧氧化作用于鈦并隨后退火產(chǎn)生的。通過改變微弧氧化的退火溫度可以調(diào)整涂層的表面形貌、潤濕性和化學(xué)性能。體外實(shí)驗(yàn)表明，退火溫度為 650 ℃的微弧氧化涂層不僅支持成骨細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和分化，還可抑制巨噬細(xì)胞的炎癥反應(yīng)。
微弧氧化與其他表面改性技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用
有學(xué)者采用微弧氧化和水熱處理的混合工藝在鈦表面上制備了β-FeOOH/TiO2 涂層，該涂層在大鼠皮下軟組織感染模型中植入 4d 后，通過下調(diào)白細(xì)胞介素 1β、白細(xì)胞介素 6 和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶的表達(dá)減輕炎癥反應(yīng)。
3、小結(jié)
綜上所述，微弧氧化可以通過改變電解液成分制備不同物理形貌的表面涂層，且可以聯(lián)合其他表面改性技術(shù)提高鈦、鎂等合金的抗菌性能和抗炎性能，在骨科和牙科等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
目前研究多局限于金屬涂層，而且大部分研究集中在銀、銅等具有良好抗菌性能的金屬元素，僅有少數(shù)研究提到氧化石墨烯、羥基磷灰石和殼聚糖等非金屬涂層，未來可以對無機(jī)物涂層和高分子涂層進(jìn)行廣泛研究，也可采取更多種不同生物活性元素的組合來提高抗菌性能。目前微弧氧化技術(shù)所制備的植入體涂層炎癥研究多局限于免疫系統(tǒng)，且集中在巨噬細(xì)胞，而其對于中性粒細(xì)胞、血小板等的研究稀缺，未來需聯(lián)合應(yīng)用多種先進(jìn)技術(shù)手段探究微弧氧化涂層對其他免疫細(xì)胞和炎癥細(xì)胞的具體影響。
