純鈦及鈦合金的表面改性一直是研究的熱點。鈦表面陽極氧化技術因其操作簡單、臨床效果顯著，成為鈦表面改性的常用方法之一。目前研究多集中于通過鈦表面陽極氧化以提高種植體-骨結合性能，增強抗菌性，種植修復體周圍形成良好的軟組織封閉，或與其他表面改性方法結合以提高鈦生物活性等方面。微弧氧化是在陽極氧化基礎上發展起來，可明顯提高鈦表面生物活性。本文對鈦表面陽極氧化參數及其在口腔種植中的應用進行分析。
1.鈦的特性
鈦為銀灰色金屬，因其在空氣中易被氧化形成1.8~17nm的氧化膜，具有良好的生物相容性及抗腐蝕性而廣泛應用于口腔種植中。鈦表面化學元素組成、形貌、表面能均影響其生物相容性和活性。學者們一直致力于對鈦表面改性以提高其生物學性能，常用的方法包括：酸蝕處理法、陽極氧化法、噴砂法、羥基磷灰石涂層法等。20世紀30年代出現的鈦表面陽極氧化技術操作簡單、成本較低、臨床效果明顯，成為常用的改性方法。微弧氧化因能明顯提高鈦表面的生物學性能而被廣泛應用。
2.陽極氧化影響因素
2.1電壓
電壓是影響傳統陽極氧化及微弧氧化的指標之一。傳統陽極氧化階段，隨電壓升高氧化膜厚度隨之增加，且氧化膜厚度與電壓成線性關系，增長速度為1.4~2.78nm/V。此氧化膜為透明膜，可發生光的干涉現象，使鈦表面呈現不同顏色。因此可通過氧化膜的顏色評定氧化膜厚度。當氧化膜達到一定厚度時，繼續增加電壓，鈦表面發生介質擊穿現象，此時傳統陽極氧化向微弧氧化轉換，氧化膜厚度仍隨電壓增大而增加，但鈦表面形成多孔性結構。
Benea等在硫酸電解液中對鈦進行陽極氧化，電壓為100V時發生微弧氧化，在鈦表面形成納米孔結構，氧化膜厚度為380~615nm。電壓的大小影響鈦表面氧化膜晶體結構。二氧化鈦有3種晶體結構：板鈦礦、銳鈦礦和金紅石。傳統陽極氧化可在鈦表面形成非晶態二氧化鈦層，微弧氧化在鈦表面形成銳鈦礦或金紅石相二氧化鈦層。Selimin等在醋酸電解液中，10~200V電壓下對鈦表面行陽極氧化處理。電壓為100~200V時，鈦表面發生電弧作用而形成多孔的銳鈦礦氧化層，此結構為羥基磷灰石形成提供位點。而電壓較低時，鈦表面氧化層為無定形結構。
Cui等將鈦置于硫酸電解質溶液中陽極氧化，發現100V電壓下，鈦表面氧化膜為銳鈦礦；150V電壓下，鈦表面氧化膜為銳鈦礦和金紅石；而在180V電壓下只有金紅石。金紅石型二氧化鈦和銳鈦礦型二氧化鈦性能方面存在差異。鈦表面氧化膜的晶體形式影響其表面磷灰石的形成。將無定形型、金紅石型及銳鈦礦型二氧化鈦分別置于SBF溶液中7d，結果顯示，無定形型二氧化鈦表面無磷灰石形成，銳鈦礦表面只有少量磷灰石形成，而金紅石表面完全被磷灰石覆蓋。磷灰石層可增強種植體與骨組織間結合，且較致密的金紅石型二氧化鈦可更有效阻止鈦基底離子釋放，增加鈦表面抗腐蝕性能。
2.2電解質溶液
常用的電解質溶液有水溶液、有機溶液和熔鹽溶液。最常使用的是水溶液，包括硫酸、磷酸、乙酸鈣、氫氟酸，氫氧化鈉等。在不同種類和濃度的電解質溶液中處理得到的氧化膜的相態、性能、結構等存在差異。傳統陽極氧化使用偏酸性電解液。在含氟電解質溶液中行陽極氧化，鈦表面可形成二氧化鈦納米管結構。在磷酸及硫酸溶液中處理，鈦表面可形成有色薄膜。Walter等將鈦在0.9%NaCl電解質中陽極氧化，鈦表面呈現藍色外觀。微弧氧化常用堿性溶液或者有機溶劑作為電解液。Kaluderovi等首次在NaOH和Ca（H2PO4）2水溶液中進行陽極氧化，鈦表面呈現白色，成骨細胞在其表面黏附生長良好，這為種植體材料表面改性提供了新方法。
不同種類的電解質溶液可提供不同的官能團。若將電解液中有效官能團沉積于鈦表面，則可提高鈦生物活性。Ca/P是骨組織形成必不可少的元素，含有效官能團的鈦表面能更好吸附組織液中的Ca和P，從而形成磷灰石。在含有甘油磷酸鈣和乙酸鈣的電解質溶液中微弧氧化，鈦表面形成含有Ca和P的高度結晶的多孔氧化膜，通過加熱法使其變為磷灰石，對骨組織的形成具有促進作用。Cai等認為電解質溶液的PH影響功能團與鈦的結合力。當PH＜4時，鈦表面電勢為正值，電解液中陰離子官能團有利于與鈦表面形成良好的結合；當PH＞4時，鈦表面電勢為負值，所得結果恰好相反。Jin等認為酸性電解質溶液中陽極氧化，有利于陰離子官能團與鈦表面結合；堿性電解質溶液中，陰離子與鈦表面結合能力欠佳。因此，可通過調節電解質溶液PH值，使電解質溶液中有利于促進骨組織再生的官能團更好的吸附于鈦種植體表面。
2.3其他
氧化時間、鈦基底形態、電流密度等均影響鈦陽極氧化后氧化膜的結構。在PH為8的氯化鈉溶液中進行陽極氧化，結果顯示表面粗糙度與氧化時間成負相關，與電流密度成正相關。在形成納米管的試驗中，隨著氧化時間的增加，納米管的直徑與長度隨之增加。鈦基底的表面形態對陽極氧化后氧化膜的形態也有影響。Walter等對光滑鈦基底與噴砂后粗糙鈦基底進行氧化，結果粗糙基底層氧化膜的厚度和膜表面孔徑的大小均有明顯的降低，彈性模量相應降低。且粗糙基底層形成的氧化膜抗摩擦性能增加，有利于種植體在口腔中承受咀嚼壓力。但粗糙鈦基底表面形成的顏色均勻性較差。同時，二氧化鈦晶體結構與電流密度成正相關，隨著電流密度增加，銳鈦礦或金紅石形成量也增加。
3.陽極氧化技術的應用
3.1增加抗腐蝕性與抗菌性
在體內，金屬的抗腐蝕性能對種植體的壽命有重要影響。血漿和組織液中的氯離子濃度是海水中氯離子濃度的1/3，是金屬適宜的腐蝕環境。體液中的氨基酸、蛋白質及溶解的氧氣均有利于腐蝕的發生。細胞也影響金屬的耐腐蝕性。經陽極氧化后，鈦表面形成較厚且致密的氧化膜能阻止金屬離子釋放，防止金屬離子與體液中離子發生反應，從而提高種植體抗腐蝕性能。將陽極氧化后的鈦試件置于3.5%的NaCl溶液中，表現出良好的抗腐蝕性能。Karambakhsh將陽極氧化后鈦試件放置在Ringer's溶液中，在37℃環境中進行腐蝕試驗。結果顯示，隨氧化膜厚度增加，鈦表面抗腐蝕性增強。微弧氧化在鈦表面形成多孔結構，但其抗腐蝕性仍優于未處理鈦。這是由于微弧氧化由兩種涂層構成：內層阻擋層以及外層的多孔層，內層阻擋層阻止鈦基底與體液接觸。微弧氧化形成的氧化膜厚度明顯高于傳統陽極氧化，抗腐蝕性能也提高。
陽極氧化可以在種植體表面形成納米的二氧化鈦管，可在納米管中載附有抗菌作用的藥物，比如銀離子，慶大霉素、青霉素等抗生素，鹵素復合物等，降低炎癥發生，提高種植體的成功率。二氧化鈦在紫外光照射下，還可發生光催化殺菌作用，預防種植體周圍炎發生。且納米結構本身就有一定的抗菌效果。鈦表面抗菌性及抗腐蝕性能保證種植修復體在相對穩定狀態下行使功能，提高使用壽命。
3.2提高骨結合強度
表面能和粗糙度對于細胞與材料的黏附非常重要。粗糙表面可降低接觸角提高表面能。高表面能的材料有更多電子受體位點來促進細胞分化。在粗糙的鈦表面，成骨細胞呈現圓形和多邊形，骨鈣素、骨唾液蛋白以及I型膠原表達增強。表面粗糙度增加可使鈦表面鈣磷等元素沉積增多，在鈦表面沉積的鈣磷比例為1.67，與磷灰石中鈣磷的比率一致，為骨形成提供了良好的元素準備。鈦在不含F-的電解質溶液中行傳統陽極氧化技術，其表面粗糙度降低；在含F-電解液中陽極氧化，其表面形成納米孔或者納米管，明顯增加材料表面潤濕性；鈦表面經微弧氧化處理后形成納米、亞微米結構，其表面粗糙度明顯增加。納米、亞微米結構影響骨-種植體界面的機械性能、應力分布及骨組織重塑，增加種植體與骨組織的相互鎖合，降低應力集中導致的骨吸收。Cui等發現，微弧氧化處理的鈦表面形態是一種立體開放的多孔結構，能給磷灰石和鈦之間提供強大的黏結力，從而使鈦種植體更適合作為生物活性材料。多孔結構利于組織細胞向內生長，增加細胞生長黏附空間，提高種植體的固位力。孔的大小影響著骨形成的數量和質量。氧化膜的多孔結構增加了種植體與周圍組織的摩擦力。
多孔性結構使鈦表面彈性模量與骨組織相近，降低種植失敗風險。在多孔結構種植體表面吸附血清白蛋白可明顯增加種植體生物活性。鈦經陽極氧化處理后對體內生長因子也會產生影響，可增強鈦-骨界面PDGF的表達，促進新骨生成，增強TGF-β在鈦合金種植體骨界面的表達，成骨活躍，骨基質鈣化成熟較好，骨細胞排列緊密，新骨形成較多。Lasson等認為較厚的氧化膜提高了骨形成的速率，180nm的氧化層帶顯示出較好的骨-種植體的結合趨勢。Walter等認為鈦經陽極氧化后可增強骨鈣素以及I型膠原mRNA表達水平，從而對種植體-骨結合產生有利影響。
4.與其他表面改性技術聯合使用
4.1與溶膠-凝膠技術聯合使用
陽極氧化法在鈦表面形成二氧化鈦納米管陣列，溶膠-凝膠技術法可形成PDMS-TEOS膜，經兩種表面改性技術處理后，鈦表面形成一層有機-無機涂層。結果顯示，PDMS-TEOS膜與二氧化鈦氧化膜黏附良好，可提高金屬基底抗腐蝕性。Kang等用溶膠-凝膠技術磷灰石涂覆于陽極氧化處理的鈦表面，增強鈦的骨結合能力。
4.2與噴砂酸蝕法聯合使用
經噴砂酸蝕處理后在鈦表面形成微米結構，表面粗糙度及潤濕性增加。陽極氧化技術可在鈦表面形成納米層，納米層比微米層具有更好的生物相容性及抗腐蝕性能。Salou等認為納米結構可提高骨結合率并改善傳統噴砂酸蝕處理表面。MG63cells培養顯示：噴砂酸蝕后行陽極氧化處理能提高成骨細胞活性以及細胞分化。Ding在噴砂酸蝕后的鈦表面行陽極氧化技術，鈦表面形成直徑為30、50、80nm的二氧化鈦納米管，觀察不同直徑納米管的細胞相容性。結果噴砂酸蝕與直徑80nm納米管聯合處理比單純噴砂酸蝕處理鈦表面新骨形成能力增強。噴砂酸蝕后行陽極氧化技術可明顯提高鈦在骨中固定強度。Ou等將噴砂酸蝕-陽極氧化種植體、光滑組種植體、噴砂酸蝕種植體植入到豬前磨牙區域，8周后種植體與骨組織均發生骨結合，骨結合率分別為84.3%±8.1%、76.5%±6.3%和81.1%±8.4%，扭力值分別為（84.5±8.7）、（62.95±11.5）、（76.1±6.6）N·cm。噴砂酸蝕后行陽極氧化可提高種植體的骨結合率及結合強度。
4.3與水熱處理聯合使用
陽極氧化技術在鈦表面形成的非晶態納米管陣列不能誘導磷灰石生成。經水熱處理后，此氧化鈦變成晶體形式，表面親水性提高，且水熱處理可增加其抗腐蝕性能，而對納米管的影響較小。Liu等認為陽極氧化-熱處理是在KOH溶液中形成納米結構二氧化鈦氧化層的適合方法，其氧化層由K2Ti6O13和H2Ti2O5·H2O組成。當浸泡在人體模擬體液中，能誘導磷灰石層形成，表現出良好的生物相容性。Grotberg等通過實驗認為陽極氧化和熱氧化處理組、陽極氧化組、平滑組、熱處理氧化組的鈦表面抗腐蝕性能逐漸降低。溫度對鈦表面晶體結構有一定影響。當溫度高于400℃，無定型二氧化鈦變成銳鈦礦形式晶向結構。在600℃左右，銳鈦礦向金紅石相轉換。溫度對表面晶相結構的影響受鈦表面形貌、多孔性、晶體大小的影響。Vera等在500℃下處理，表面形貌和粗糙度沒有明顯改變，表面顏色無明顯改變。
600℃下水熱處理，氧化膜厚度增加，鈦表面顏色改變。綜上所述，陽極氧化技術可提高鈦及鈦合金表面生物相容性及生物活性。通過調節電壓、電解質溶液等電化學參數制備出不同的鈦表面形貌，以滿足不同需求。在含F-電解液中行傳統陽極氧化處理，鈦表面形成二氧化鈦納米管結構。對鈦行微弧氧化處理，鈦表面形成晶相結構的多孔氧化層。兩種處理方法均能顯著提高鈦表面活性及生物相容性。可進一步將陽極氧化技術與其他表面改性技術相結合，同時提高鈦表面生物活性。這為陽極氧化技術在口腔種植領域的應用提供了新的發展前景。