利用新型乙醇胺基表面活性离子液体在Ti-6Al-4V合金上进行电泳沉积羟基磷灰石涂层，以用于生物医学应用

表面活性离子液体（SAILs）作为新型电解质被用于设计分子级涂层行为。本研究合成三种乙醇胺基SAILs（MEAO、DEAO、TEAO），通过电泳沉积制备羟基磷灰石（HAp）涂层于Ti-6Al-4V基体上。实验表明SAILs显著提升颗粒分散性（98%收率）、zeta电位稳定性及电泳迁移率，使涂层致密均匀，相较无SAILs涂层减少岛状缺陷。电化学测试显示DEAO和TEAO涂层在模拟体液中的阻抗值达107-1012 Ω·cm2，腐蚀电流密度降低99.9%，抗菌效果接近检测极限。SAILs通过机械互锁和化学稳定化HAp结构，优化涂层性能，为生物医学涂层提供新方案。

　　

Rasoul Asadi Peyghan|Hemayat Shekaari|Masumeh Mokhtarpour

伊朗塔布里兹大学机械工程学院

摘要

表面活性离子液体（SAILs）是一种新型多功能电解质，可用于在分子层面设计涂层性能。在本研究中，合成了三种基于乙醇胺的SAILs（MEAO、DEAO和TEAO），产率高达98%，并将其作为功能添加剂用于在Ti-6Al-4V基底上电沉积（EPD）羟基磷灰石（HAp）涂层。添加SAILs显著增强了颗粒分散性、Zeta电位稳定性及电沉积迁移率，从而形成了致密均匀的薄膜，而未添加SAILs的薄膜则出现了岛屿状缺陷。在模拟体液中的电化学测试表明，耐腐蚀性显著提高，DEAO和TEAO烧结层的总阻抗值达到了10^7–10^12 Ω·cm^2，并且与裸合金相比，腐蚀电流密度显著降低。针对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌测试显示，DEAO和TEAO改性的薄膜可将活菌数量减少99.9%以上，其CFU值接近检测限。这些现象可归因于SAIL辅助的电沉积过程及烧结后的化学稳定性作用，形成了机械互锁和化学稳定的HAp结构。本研究强调了基于乙醇胺的SAILs在先进生物医学涂层中的潜力。

引言

SAILs是一种具有独特性质的有机盐，包括高热稳定性、低挥发性和可调溶解性，使其在先进涂层技术中非常有用。当应用于钛合金等基底上的纳米颗粒或聚合物时，它们能提高附着力、均匀性和机械强度。SAIL改性的涂层具有更好的耐腐蚀性和生物相容性，可广泛应用于工业和生物医学领域，因此在当代材料科学中具有重要意义[1]、[2]、[3]、[4]。Ti-6Al-4V是一种具有优异机械性能、高耐腐蚀性和良好生物相容性的特定钛合金[5]、[6]、[7]。该合金在航空航天工业、医疗植入技术及多种工业领域有广泛应用。其独特的α+β相组成通过热处理工艺得到强化，以满足材料的特定性能要求[5]、[8]、[9]。尽管加工成本较高且存在困难，但仍有很多研究致力于改进其性能并扩大应用范围[10]。尽管最近开发了TiNb或基于Ti的合金以解决Ti-6Al-4V中的Al和V离子释放问题，但商业纯Ti-6Al-4V仍是承重骨科和牙科植入物最常用的钛合金。其在生理环境中的可靠机械性能和耐腐蚀性以及长期临床应用记录使其成为评估新型表面改性和涂层策略的参考材料[11]。

在本研究中，特意选择Ti-6Al-4V作为标准基底，系统评估基于乙醇胺的SAIL辅助电沉积羟基磷灰石涂层的效果。这一选择便于与现有文献进行直接比较，有助于明确SAILs对涂层附着力、微观结构、耐腐蚀性和界面行为的影响，而不会受到合金特性的干扰。所开发的涂层技术不仅限于Ti-6Al-4V，也可轻松应用于新开发的无毒钛合金，这将是后续研究的重点。

利用SAIL的表面活性剂溶液进行电沉积（EPD）是一种用于多种支架涂层的新方法，尤其在医疗和工业领域。由于这些表面活性剂具有离子性且环保，它们能提高纳米颗粒在沉积液中的分布均匀性，防止聚集[12]、[13]、[14]、[15]。通过EPD技术，已开发出多种创新的钛基植入物涂层，例如在阳极氧化Ti-6Al-4V合金上沉积多巴胺PDA@ZIF-8与HAp增强的复合涂层，这些涂层表现出显著的抗菌活性、生物相容性、生物活性和耐腐蚀性，同时改善了骨骼附着和感染控制[16]、[17]。这样可以在导电基底（如钛或钢）上制备出高度均匀、附着力强的涂层，且厚度和形态可调[18]。通过调整SAILs的特性（如低蒸发性、高导电性和不同厚度），可优化EPD过程，使涂层更耐锈蚀、适合生物使用，或根据应用需求具备特定功能[19]。

添加SAILs的羟基磷灰石（HAp）涂层在钛合金上的应用为医疗领域（尤其是骨科和牙科植入物）提供了新方法[20]。HAp具有生物相容性和骨传导性，有助于骨骼整合，而SAILs则提升了涂层的附着力、均匀性和抗菌性能[21]、[22]。SAIL的应用使涂层更加致密、强度更高，从而延长了植入物的使用寿命。此外，SAILs还增强了涂层的抗腐蚀和抗菌性能，降低了感染率[23]、[24]。这项先进的生物医学植入物技术具有实用性和患者安全性，未来需要进一步研究以优化相关工艺并验证其临床效果[25]、[26]。

SAILs是一类新型化合物，通过提供新的物理和化学性质来改善涂层性能，解决生物相容性、防腐保护和环境稳定性等问题[27]。作为有机阳离子和无机或有机阴离子的低熔点熔盐，SAILs具有出色的热稳定性和可设计性，非常适合特定应用的涂层制备。它们能够形成稳定、多功能的表面，适用于生物和化学环境，因此是提升医疗植入物、工业合金和保护涂层性能的理想选择[28]、[29]。

SAILs在多个领域有广泛应用，如生物医学工程和防污涂层，主要目的是提高材料的性能和耐久性[30]。例如，研究人员研究了使用二阳离子咪唑基SAILs作为钛植入物涂层，以促进快速愈合并降低感染风险。此外，SAIL改性的环氧涂层和等离子体电解氧化涂层在酸性或碱性条件下显著提高了钢和镁合金的耐腐蚀性[31]、[32]、[33]。这些成就表明SAILs能够解决材料科学中最具挑战性的问题，而传统涂层难以达到这些效果[34]、[35]、[36]、[37]。

本文综述了基于SAIL的涂层最新进展及其在生物医学和工业应用中的有效性[3]、[38]、[39]。总体目标是全面了解SAILs如何通过增强生物相容性、防腐保护和屏障性能来推动涂层技术的发展。我们将讨论基于胆碱和氨基酸的SAILs抗菌涂层，以及用于低碳钢的防腐硬膜[40]、[41]。后续章节将探讨这些新型材料的合成、表征和实际应用，以展示其对未来智能涂层发展的潜在影响[42]。

本文研究了乙醇胺SAILs中HAp纳米颗粒的分布情况。所使用的SAILs系统包括单乙醇胺、二乙醇胺和三乙醇胺辛酸盐。研究旨在评估这些SAILs与HAp纳米颗粒结合并赋予表面电荷的能力，从而提高电沉积（EPD）的性能。通过SAILs的作用，纳米颗粒得以聚集，确保其在介质和物质中均匀分布。此外，产生的表面电荷促进了电沉积过程中颗粒在电场中的定向移动，从而形成均匀涂层的表面。最重要的是，钛合金基底与涂层的附着力非常强，这归因于SAIL沉积引发的强界面相互作用。HAp纳米颗粒与SAILs成分的协同作用赋予了涂层高抗菌性能，有效防止了细菌在涂层表面的生长。

研究结果凸显了SAILs作为多功能添加剂的潜力，可改善电沉积过程中的附着力、防水性和抗菌活性，为生物医学应用带来显著改进。

材料

钛-6Al-4V合金片材来自中国宝鸡钛业有限公司，用作金属基底。分析级氟酸（40%）和硝酸（65%）购自德国默克公司，用于表面蚀刻；去离子水（电阻率18.2 MΩ·cm）也一并提供。用于SAILs合成的有机前体（单乙醇胺、≥99%，二乙醇胺、≥99%，三乙醇胺、≥99%，辛酸、≥98%）购自美国西格玛-奥德里奇公司。

HAp粉末和合成SAILs的表征

本节深入探讨了新制备的SAILs及IL辅助HAp涂层的结构、化学性质和功能。通过分析所得光谱、表面形态、电化学行为和生物性能，结合合成机制和涂层形成过程，全面评估了IL结构和烧结对涂层质量和性能的影响。

结论

当前研究表明，通过简单的中和过程制备的中性乙醇胺基离子表面活性剂涂层（MEAO、DEAO和TEAO）为未来Ti-6Al-4V型植入物涂层的开发提供了极其多功能的应用系统。SAILs的加入显著改变了颗粒分散性、Zeta电位稳定性和电沉积特性，实现了从不连续状态向均匀状态的转变。

CRediT作者贡献声明

Rasoul Asadi Peyghan：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、研究设计、资金筹集、数据分析、概念构思。Hemayat Shekaari：初稿撰写、验证、监督、软件使用、资源协调、项目管理、方法论设计。Masumeh Mokhtarpour：软件开发

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

数据可用性

本项目生成的所有数据均包含在手稿及相应文件中。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究由塔布里兹大学研究事务办公室（项目编号V/27/1120）资助。