一种利用开发的抛光机对具有曲面的骨科植入物进行增强型浸没式化学机械抛光的新方法，该方法采用了微纳米气泡技术

《Journal of Materials Science & Technology》：A novel approach of micro-nano bubbles enhanced immersed chemical mechanical polishing on orthopedic implants with curved surface using a developed polisher

金属植入体表面粗糙度通过微纳米气泡增强化学机械抛光（MNBEICMP）显著降低至3.913 nm，材料去除率提升515%，并增强抗菌活性与骨生成能力。

　　

罗准|张振宇|周洪秀|杨淼|王玉明|李胜龙|邵家涛|张锡兵|刘正宏

大连理工大学肿瘤医院、辽宁癌症医院与研究所、大连理工大学高性能精密制造国家重点实验室，中国大连116024

摘要

表面粗糙度在0.2到6纳米之间的金属植入物具有抗菌性能，而传统的机械抛光和化学机械抛光（CMP）在曲面上很难实现这一效果。为了解决这一挑战，研究人员开发了一种新型的微纳气泡增强型浸没式CMP（MNBEICMP）方法，使用了一种定制的抛光设备。CMP浆液由二氧化硅、苹果酸、过氧化氢和去离子水组成。经过MNBEICMP处理后，316L不锈钢骨科植入物的表面粗糙度S_a降至3.913纳米，材料去除速率为1.421微米/小时，分别比不使用微纳气泡的CMP方法提高了95%和515%。基于计算流体动力学和离散元方法建立了新的模型，包括微纳气泡崩塌与浆液之间的相互作用，以及磨料与植入物表面之间的相互作用。模型阐明了磨料速度变化及其与植入物表面碰撞的动态演变机制，这些结果与颗粒图像测速实验的结果相符。根据模型，微纳气泡崩塌后，磨料和浆液的最高速度分别为16.8米/秒和13.7米/秒，分别比不使用微纳气泡的CMP方法提高了354%和315%，从而促进了磨料的均匀分布。经过MNBEICMP处理的植入物表面，受损层厚度、接触角、人骨髓干细胞的存活率、金黄色葡萄球菌的抗菌活性以及21天后碱性磷酸酶的活性和茜素红S矿化结节的活性分别为4.21纳米和55.62纳米、14.85°和60.8°、94.85%和72.09%、99.22%和87.93%、8.21微摩尔/克和7.16微摩尔/克、720.81%和569.58%，分别比不使用微纳气泡的CMP方法提高了92%、76%、32%、13%、15%和27%。我们的发现为使用新型MNBEICMP方法和定制抛光设备制备316L不锈钢的抗菌表面开辟了新途径，这种方法在具有曲面的骨科植入物中具有潜在应用价值。

引言

由于全球人口持续增长和老龄化问题，骨科病例数量逐年增加，导致对骨植入物的需求不断上升。金属植入物已成为治疗各种生理疾病的临床标准，能够增强和延长生物功能[[1], [2], [3]]。最常用的骨植入物金属材料是不锈钢和钛合金[4,5]。其中，316L不锈钢因其低成本、高耐磨性和易于加工而成为外科植入物和医疗设备的理想选择[6,7]。制造质量直接决定了植入物的应用效果，其中表面粗糙度至关重要[[8], [9], [10], [11]]。过高的表面粗糙度会对骨骼和蛋白质生长产生负面影响，而未经处理的植入物表面可能导致组织损伤和细菌生长。研究表明，当材料的表面粗糙度（R_a）在0.2到6纳米范围内时，细菌会受到表面张力的影响而死亡[6,12]。

为了提高金属材料的表面质量，近年来相继提出并应用了多种表面抛光技术，包括机械抛光、化学抛光、磨料流抛光、激光抛光、磨料喷射抛光和剪切增稠抛光。机械抛光方法仅适用于几何形状相对简单的工件，且可实现的表面粗糙度通常在几百纳米到几微米之间[13,14]。化学抛光可以应用于复杂表面，但抛光参数的精确控制较为困难[15]。磨料喷射抛光由于磨料介质和夹具的成本较高，导致该方法成本高昂且不经济[16,17]。激光抛光通常会导致表面硬度显著降低。此外，激光工艺的精度限制使得可实现的表面粗糙度最低为8纳米[[18], [19], [20]]。磨料喷射抛光仅适用于复杂的内壁和微孔，无法有效处理骨植入物的外表面[21,22]。剪切增稠抛光依赖于磨料的剪切作用，可能会产生划痕等表面缺陷，阻碍完美光滑表面的实现[23,24]。总体而言，上述每种抛光技术都存在一定的加工局限性。为了满足金属植入物的表面粗糙度要求并实现高质量、低损伤的抛光效果，科学家们致力于开发一种环保且多功能的新方法，以防止细菌附着并促进骨骼生长。

实际上，结合化学和机械作用可以进一步提高表面质量。化学机械抛光（CMP）通过浆液中化学试剂和磨料的共同作用实现纳米级表面处理[25]。然而，对于医疗植入物的表面抛光，传统CMP存在两个主要缺点：(i) 浆液通常含有有毒或高腐蚀性的化学物质，这与绿色和低碳发展的理念相悖[26]；(ii) CMP在半导体制造中不可或缺，但处理后的工件通常是平面的[23]。为了解决这些问题，研究人员开发了一系列适用于多种金属材料的绿色环保CMP浆液，如不锈钢[27]、钛合金[28]和钨合金[29]。此外，还提出了一种用于抛光方形工件的新方法[30]，该方法解决了抛光过程中预测方形工件和抛光垫表面图案变化的难题。还开发了CMP与双面加工方法的结合[31]，实现了16.6纳米的圆柱形表面粗糙度。但由于CMP对非平面零件的化学和机械协同作用有限，其抛光性能仍无法满足医疗植入物的要求。

在CMP浆液中添加微纳气泡（MNBs）为满足金属植入物的表面要求提供了非常有前景的方法。微纳气泡具有独特的化学、物理和生理特性[32,33]。由于这些特性，它们在水处理[34,35]、化学工程[36,37]、医学[[38], [39], [40]]和工业生产[[41], [42], [43]]等多个领域受到了广泛关注。

本研究提出了一种新型的微纳气泡增强型浸没式化学机械抛光（MNBEICMP）方法，以满足骨科医疗植入物的表面要求。首先，建立了一个计算流体动力学和离散元方法（CFD-DEM）抛光模型来模拟和分析抛光行为，并通过实验进行了验证。其次，对处理后的骨科医疗植入物进行了表征，并研究了抛光机制。最后，系统评估了MNBEICMP对细胞毒性、抗菌性能和成骨能力的影响。通过MNBEICMP的新抛光策略，金属植入物的表面粗糙度（S_a）最终降至3.913纳米，表面损伤层厚度为4.25纳米。更重要的是，与单源浸没式化学机械抛光（ICMP）相比，经过MNBEICMP处理的样品在21天后保持了更强的成骨能力。考虑到其他类型植入物常见的挑战，我们的发现为去除医疗植入物的表面缺陷提供了一种理想的方法。

样本制备与表征

316L不锈钢植入物样本由大连理工大学肿瘤医院提供。所有MNBEICMP实验均使用自主研发的机床进行（见补充材料中的图S1），该机床包括主轴箱、微纳气泡发生器、臭氧发生器、抛光主轴、抛光箱和控制面板。样品首先用2000目砂纸+Nd₂O₃（50微米）进行粗抛光，然后使用含有15……的溶液进行细抛光

实验结果

样品经过粗抛光和细抛光后的物理照片如图3(a–c)所示，图3(d–f)展示了相应的表面形态。粗抛光后，样品表面有明显的划痕。在50微米×50微米的扫描范围内，Sa值为111.272 ± 5.107纳米。细抛光后，样品表面没有划痕，S_a值降至73.218 ± 1.158纳米，但出现了许多凹坑。

结论

总之，本研究建立了一种绿色、双源协同的化学机械抛光策略（MNBEICMP），将传统CMP技术与微纳气泡结合，实现了医疗植入物的精确、均匀且低损伤的表面抛光。该方法同时提升了表面生物活性、抗菌性能和成骨能力。与传统CMP相比，开发了新型的MNBEICMP设备，并使用了由SiO₂组成的绿色环保浆液

CRediT作者贡献声明

罗准：方法论、调查、数据分析、概念化。张振宇：写作-审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、概念化。周洪秀：资源获取、调查、数据分析、数据管理。杨淼：调查、数据分析、数据管理。王玉明：软件应用、资源获取、数据分析、数据管理。李胜龙：软件应用、数据分析、数据管理。邵家涛：软件应用、资源获取、数据分析、数据管理

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢上海市科学技术计划项目（25JC3200200）、江苏省前沿技术研发项目（BF2025039）、钱江科学技术研究院综合成果项目（2025ZD110）、中央高校基本科研业务费（DUT25YG268）以及白云鄂博稀土资源研究与综合利用国家重点实验室开放基金（2025B2725-QZ-10）的财政支持。