电解质溶液对铜掺杂羟基磷灰石涂层的物理化学性质和生物活性的影响

《Surfaces and Interfaces》：Influence of the electrolyte solutions on the physico-chemical properties and bioactivity of copper doped hydroxyapatite coatings

　　科斯明·米哈伊·科特鲁特（Cosmin Mihai Cotrut）、戴安娜·玛丽亚·弗兰策亚努（Diana Maria Vranceanu）、埃莱娜·乌恩格雷亚努（Elena Ungureanu，来自波埃纳鲁大学）、阿丽娜·弗拉德莱斯库（Alina Vladescu，来自德拉戈米尔大学）、米哈埃拉·迪努（Mihaela Dinu）、爱丽丝·埃莱娜·穆恩特亚努（Alice Elena Munteanu）、伊奥安娜·西尔维娅·霍苏（Ioana Silvia Hosu）、博格丹·特里卡（Bogdan Trica）、瓦伦丁·拉迪托伊乌（Valentin Raditoiu）、伊琳娜·菲亚拉斯库（Irina Fierascu）、拉杜·克劳迪乌·菲亚拉斯库（Radu Claudiu Fierascu）
罗马尼亚布加勒斯特国立科学技术与工程学院，邮编060042

**摘要**
本研究探讨了通过两种不同性质的电解质 electrochemically 制备的羟基磷灰石（HAp）涂层的性能，并随后用铜（Cu）进行掺杂。铜以其抗菌特性和促进骨组织再生的能力而闻名。在75°C的脉冲恒电流条件下，使用硝酸钙或氯化钙电解质将 HAp 涂层沉积在钛基底上，随后通过铜基溶液中的离子交换处理将铜掺入涂层中。通过扫描电子显微镜（SEM）对涂层的形态进行了表征，而化学成分和相组成则分别通过能量色散X射线光谱（EDX）和X射线衍射（XRD）确定。表面粗糙度和涂层厚度通过表面轮廓仪测量。SEM 图像显示，所有涂层均呈现带状晶体形态，这与电解质类型或铜的添加无关。EDX 验证了铜成功掺入涂层中，并且（Ca+Cu）的比例在1.54到1.58之间。从氯化物电解质制备的涂层比从硝酸盐电解质制备的涂层更薄，而铜的掺杂导致两种电解质系统的涂层厚度略有减小。XRD 分析确认所有样品中均存在 HAp 相，并验证了铜的成功掺入。

**总结**
通过电化学沉积方法制备的羟基磷灰石涂层可以通过离子交换方法有效掺入铜，这为抗菌和骨再生应用提供了潜力。

**1. 引言**
在医学工程领域，确保植入材料的生物相容性和骨整合性对于植入物的长期成功至关重要。钛以其优异的机械性能和高生物相容性而成为制造骨科和牙科植入物的首选材料[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]]。然而，钛在骨整合能力上的固有限制，这促使人们倾向于用生物活性材料对其表面进行涂层处理以增强其与骨骼的相互作用。羟基磷灰石（HAp）是一种含有磷酸盐的矿物形式的钙磷灰石。HAp 因其类似于人体硬组织的矿物成分而被广泛用于钛植入物的涂层，因为它能促进骨传导性，从而促进骨重塑。然而，纯羟基磷灰石在生理环境中的溶解速率和化学稳定性存在某些限制，这可能影响其长期性能[[8], [9], [10], [11], [12]]。
在这种背景下，提高羟基磷灰石性能的一种有前景的方法是使用各种元素对其进行掺杂和/或掺入天然聚合物（如淀粉或胶原蛋白）[[9],[12],[13],[14],[15],[16],[17],[18],[19],[20]]。
最近受到广泛关注的一种离子是铜，它展示了广谱抗菌活性以及促进血管生成和骨生成的能力。值得注意的是，金属植入物感染最常见的是由金黄色葡萄球菌和凝固酶阴性葡萄球菌引起的，而铜绿假单胞菌和肠杆菌科（如克雷伯菌属、大肠杆菌）也是常见的致病菌[[21],[22],[23],[24],[25]]。
铜（Cu）是一种微量元素，在正常健康成人中的浓度为50–150 mg，其中约50%–70%分布在肌肉和骨骼中，20%分布在肝脏中，5%–10%分布在血液中[[26,27]]。铜在多种生理过程中起着关键作用，包括免疫系统、核酸合成、自由基清除和酶促反应[[28]]。此外，铜还参与骨组织形成，并表现出抗菌、促骨生成和促血管生成的特性[[29,30]]。据强调，铜有助于保持骨骼的正常组成和结构，同时抑制骨质疏松症的发展[[31,32]]。先前已有研究表明，铜对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均具有有效的抗菌作用[[33,34]]。这些效果归因于铜能够破坏细菌细胞壁和膜、从细菌中吸附电子并生成活性氧（ROS），最终导致细菌和/或真菌死亡[[26,35]]。
然而，需要注意的是，当铜的浓度超过一定阈值时，可能对人体具有毒性[[26,36]]。因此，该系统的有效性源于离子在植入部位的固有活性，这是离子基系统与抗生素的不同之处。此外，离子在低浓度下没有毒性，这是其相对于传统治疗方法的一个关键优势[[37]]。鉴于上述研究，可以假设掺铜的羟基磷灰石涂层在提高生物性能、提供抗菌效果和减少术后感染方面具有巨大潜力，同时促进基于钛的植入物的骨整合。
李等人[[38]]的研究表明，使用恒电流电化学沉积方法可以在钛片上成功制备不同铜浓度的 HAp 涂层。研究表明，在电解质中 Cu2+ 浓度为1.05 mmol/L时，可以获得具有增强生物相容性和抗菌效果的最佳涂层参数。相比之下，虽然较高浓度的 Cu2+（4.2 mmol/L）可提高抗菌效率，但会导致细胞毒性和细胞存活率下降。尽管他们的研究是在不同的条件下进行的（例如沉积时间和温度不同），但研究表明，影响涂层中铜含量的最主要因素是电解质中的 Cu2+ 浓度。
目前，有多种方法可用于沉积 HAp 涂层，包括磁控溅射、溶胶-凝胶沉积、电泳沉积和电化学沉积[[11,13,16,18,[39],[40],[41],[42],[43]]。其中，电化学沉积已被证明是一种在金属基底上形成薄而均匀涂层的有效技术。该过程涉及将样品浸入含有 Ca2+ 和 PO43- 离子的电解质中，然后通过施加电位或电流密度使羟基磷灰石在金属材料表面沉淀。
当前的研究工作越来越多地集中在优化电化学参数（如电流密度、电解质组成、pH 值和沉积时间）上，以制备具有定制形态、结晶度和生物活性的涂层。同时，也广泛探讨了铜掺杂的协同效应，特别是在对抗金黄色葡萄球菌和大肠杆菌等常见病原体的抗菌性能方面，以及其与类成骨细胞的体外生物相容性。

**2. 材料与方法**
2.1. 基底制备
HAp 涂层沉积在商业纯钛盘（cp-Ti，Bibus Metals AG，德国埃森）上。通过将钛棒切割成直径2厘米、高度2毫米的圆盘来制备 cp-Ti 样品。随后，使用不同粒度的碳化硅砂纸（从 P150 到 P800）对 cp-Ti 圆盘进行金属学处理，以获得表面清洁且均匀的样品。在此阶段之后，样品用异丙醇清洗，用丙酮超声波脱脂，并用超纯水（ASTM I）冲洗。
2.2. 电化学沉积
HAp 涂层通过恒电流脉冲技术使用两种不同性质的电解质制备。磷酸二氢铵（NH4H2PO4）作为磷酸基团的前驱体，氯化钙二水合物（CaCl2·2H2O）和硝酸钙四水合物（Ca(NO3)2·4H2O）分别作为钙离子的前驱体。所用试剂购自 Sigma-Aldrich（德国慕尼黑），并溶于超纯水中，Ca/P 比值为1.67（表1）。溶解和混合电解质后，使用 pH/ORP 计（HI 4221，Hanna Instruments，美国史密斯菲尔德）测得的 pH 值为4.6。在沉积涂层之前，电解质经过10分钟的氮气脱气处理，以消除溶解的氧气并减少 CaCO3 沉积的形成。

**表1. HAp 涂层的电解质组成**
| 电解质 | 浓度 (mM) | Ca/P 摩尔比 |
|-------------------|------------------|----------------|
| Ca(NO3)2·4H2O | 10 | 1.67 |
| CaCl2·2H2O | 10 | |
| NH4H2PO4 | 6 | |

**2.3. 电化学沉积参数**
电化学沉积参数基于我们之前研究中建立的协议，系统评估了温度、pH 值和电化学制度对 HAp 涂层的影响[[16],[45],[46],[47]]。因此，电化学沉积在标准电化学电池中进行，该电池包含三个电极：工作电极（WE – 装配在特氟龙支架上的 cp-Ti 圆盘）、参比电极（RE – 饱和甘汞电极）和辅助电极（AR – 铂箔）。电化学沉积过程中的参数如下：温度为75°C，活性电流密度（iON）为?0.85 mA/cm2，作用时间为 tON = 1秒，随后为零电流密度（iOFF）为0 mA/cm2，作用时间为 tOFF = 1秒。总沉积时间为30分钟，相当于900个循环（1800秒）。沉积过程结束后，涂层用蒸馏水轻轻冲洗并在热风中干燥。
2.4. 离子交换方法
掺铜的羟基磷灰石涂层通过离子交换方法获得[[48]]。根据表2准备了两种不同的 Cu 溶液，一种基于氯化物，另一种基于硝酸盐。从氯化物电解质制备的羟基磷灰石涂层随后浸入基于氯化铜的溶液中，而从硝酸盐电解质制备的羟基磷灰石涂层浸入基于硝酸铜的溶液中。这一过程旨在实现离子交换并获得掺铜的羟基磷灰石涂层。

**表2. 用于离子置换的溶液化学组成**
| 解释 | 浓度 (mM) | |
|-------------------|----------------| |
| Cu(NO3)2·4H2O | 0.01 | |
| CuCl2·2H2O | 0.01 | |

离子交换过程是通过将涂层样品浸入基于铜的溶液中进行的，总时间为15分钟，分为两个阶段。前10分钟内持续搅拌，随后停止搅拌（5分钟）。离子交换完成后，涂层用超纯水清洗并在热风中干燥。

**表3. 未掺铜和掺铜羟基磷灰石涂层的样品编码**
| 编码 | 描述 | |
| cHAp | 从氯化物盐基溶液获得的羟基磷灰石 | |
| cHAp-Cu | 用 CuCl 溶液掺铜的氯化物基羟基磷灰石 | |
| n-HAp | 从硝酸盐盐基溶液获得的羟基磷灰石 | |
| nHAp-Cu | 用 CuNO3 溶液掺铜的硝酸盐基羟基磷灰石 | |

**2.5. 涂层表征与测试**
使用配备 X 射线能量色散光谱仪（EDX）附件 Phenom ProX（Phenom World，荷兰埃因霍温）的扫描电子显微镜（SEM）研究了未掺铜和掺铜的羟基磷灰石涂层的形态和化学组成。相组成通过 X 射线衍射（Rigaku，使用 CuKα 射线（λ= 1.54 ?）在3°入射角范围内进行测量。XRD 分析在20 - 60°范围内进行，入射角为3°。通过谢勒方程（Equation 1）从（002）反射的半高宽（FWHM）≈25.88°估算晶体尺寸：
L(002) = 0.9λβcosθ
其中 0.9 是谢勒常数值，λ 是所用 X 射线的波长（即 Cu Kα，为0.154 nm），β 是半高宽处的衍射峰宽度，θ 是考虑的衍射角。所得 L002 表示垂直于 (002) 平面的相干衍射域的大小，具体来说是在掠射几何结构中的散射矢量方向。因此，这代表的是特定反射的相干长度，而不是一般的各向同性晶粒尺寸。所开发的涂层的结晶度是通过使用公式（2）来估计（002）XRD反射的半高宽（FWHM）得到的，这种方法广泛应用于电沉积和低温HAp涂层，因为其对电化学沉积典型的优先c轴生长非常敏感[[49]，[50]，[51]]。(2)χc=(KAβ)3其中KA是一个常数，对于HAp来说等于0.24，β是（002）反射的FWHM（以度为单位）。正如文献中所报道的，较窄的（002）反射通常与更好的晶序和更大的相干衍射域相关联，这反过来又可以影响电沉积HAp涂层的溶解行为和生物稳定性[52,53]。同样，经验常数KA=0.24是一个特定于化学计量比HAp的文献值，它是通过参考HAp粉末和涂层进行校准得出的，考虑到了六角晶格几何结构和（002）反射的固有宽化特性[49]。透射电子显微镜（TEM）使用的是FEI Tecnai G2 F20 TWIN Cryo-TEM（FEI/Thermo Fisher Scientific，美国俄勒冈州希尔斯伯勒），分析包括常规TEM成像和电子衍射模式。羟基磷灰石涂层的粗糙度和厚度是用Veeco Dektak 150（Veeco Instruments，美国纽约州普莱恩维尤）接触式轮廓仪测量的。对于每种类型的涂层，在3毫米的距离上进行了10次测量，施加的压力量为5毫克，使用的是半径为2.5微米的 diamond-tipped 笔尖。通过测量涂层与基板之间的间隙来确定涂层厚度。傅里叶变换红外光谱（FTIR）使用的是JASCO FT-IR 6300设备（JASCO International Co., Ltd.，日本东京），用于突出显示400–4000 cm?1范围内的材料化学键。拉曼光谱是使用Renishaw inVia Qontor光谱仪（Renishaw PLC，英国格洛斯特郡Wotton-under-Edge）进行的，该仪器配置了共聚焦拉曼光谱成像功能。仪器配备了三种激发激光：532 nm（50 mW）、633 nm（50 mW）和785 nm（100 mW）。经过仔细评估后，选择了785 nm激光进行分析。光谱记录在100–4500 cm?1光谱范围内，曝光时间最长为20秒，并根据每个样本的灵敏度调整激光功率。除非另有指定，否则使用1200线/mm的衍射光栅进行光谱分散。光学系统与Leica N PLAN 100×显微镜物镜（Leica Camera AG，德国韦茨拉尔）耦合，焦距为0.33毫米，数值孔径（NA）为0.85，为共聚焦测量提供了高空间分辨率。检测系统由Renishaw Centrus CCD探测器（Renishaw PLC，英国Wotton-under-Edge）组成。使用Jasco UV–Vis–NIR V-570分光光度计（JASCO Corporation，日本东京）记录漫反射光谱，该光谱仪配备了150毫米积分球（型号ILN-472，JASCO）。测量在近红外（NIR）范围内进行，从780到1800纳米，使用漫反射模式。光谱是相对于非吸收参考标准记录的，反射数据用于评估样品的光学性质。X射线荧光（XRF）分析使用的是便携式XRF光谱仪Olympus VANTA C（40 kV X射线管，铑阳极，硅漂移探测器，GeoChem配置）。陶瓷涂层的电化学行为是在模拟体液（SBF）介质中通过线性极化技术进行的。实验使用的是PRISTON Applied Research公司的PARSTAT 4000电位计（Princeton Applied Research，美国田纳西州橡树岭），该电位计配备了低电流接口模块（Princeton Applied Research，美国田纳西州橡树岭）。电化学电池由三个电极组成：作为工作电极的测试材料、作为对电极的铂箔以及作为参比电极的饱和甘汞电极（SCE）。在实验过程中，温度保持在37°C（±0.5°C）恒定，使用的是Jeio Tech公司的加热循环浴（CW-05G，韩国大田市儒城区）。在达到平衡状态之前，监测开路电位（OCP）。测试以0.167 mV/s的扫描速率进行，符合ASTM G5–94标准[54]，在±200 mV vs EOC范围内。所开发材料的.apatite形成能力通过体外生物矿化测试进行评估，这些测试是按照ISO 23317/2014标准[55]进行的。每个样品被浸入50毫升的SBF中，每天更新一次，以确保离子平衡。实验方案要求使用Memmert公司的培养箱（Memmert，IF 55，德国施瓦巴赫）保持37°C（±0.5°C）的恒定温度，持续14天。根据预定的方案，在1天、7天和14天时定期采集样品。从SBF介质中提取的每个样品都用 ultrapure水彻底冲洗，然后放置在干燥器中，直到需要进行进一步分析。样品的重量是通过分析天平（Kern，ALT 100-5AM，德国巴林根）测量的，精度为0.01毫克。

3. 结果与讨论
3.1. 形态
图1展示了不同放大倍数下的基于HAp的涂层SEM图像，其中包括含有铜的和不含有铜的涂层。在当前的脉冲电镀过程中，磷酸钙的形成是由阴极扩散层内的化学环境控制的，而不是由电解质的初始pH值控制的。阐明HAp涂层在Ca-P电解质系统中电化学沉积机制的主要电化学反应如下[44,48,[56], [57], [58]]：
(3)O2+2H2O+4e?→4OH?
(4)2H++2e?→H2↑
(5)2H2O+2e?→H2↑+2OH?
(6)2TiO2+2H2O+e?→Ti(OH)3+(OH)?
(7)H2PO4?+H2O+2e?→H2PO3?+2OH?
(8)H2PO4?+e?→H2PO42?+12H2
(9)H2PO4?+2e?→PO43?+H2
(10)H2PO4?+e?→PO43?+12H2
(11)5Ca2++3PO43?+OH?→Ca5(PO4)3OH
下载：下载高分辨率图像（3MB）
下载：下载全尺寸图像
图1. 通过SEM获得的涂层形态。
在脉冲开启期间，施加的阴极恒电流会在钛表面产生局部的pH升高，通过还原反应生成氢氧根离子和/或消耗质子，主要是氧气还原和质子还原，如反应(3)、(4)所示，以及方程式(5)中的水还原。同时，天然钛氧化物的部分还原和羟基化可能发生，导致形成羟基化表面物种，如反应式(6)所示，这可能促进异质核化。由此产生的近阴极pH瞬变使磷酸盐的酸碱分布向更脱质的物种转变，这些物种适合apatite的沉淀，而涉及二氢磷酸盐的额外阴极过程可能进一步促进氢氧根的生成和磷酸盐的可用性，如方程式(7)到(10)所示。一旦局部离子活动产物超过溶解度阈值，apatite就会直接在阴极上沉淀，如方程式(11)所示。脉冲关闭期间，浓度梯度得到缓解，Ca2+和磷酸盐物种向阴极的质量传输得到恢复，并减少了与氢气释放相关的界面障碍，总体上提高了与连续电流操作相比的沉积连续性[44,46,[56], [57], [58]]。因此，尽管电解质的整体pH值为酸性，但由于电化学反应在阴极表面产生的局部pH升高，使得羟基磷灰石的形成成为可能，这种局部pH升高为磷酸钙的成核和生长创造了有利条件[46,59,60]。
通过对图像的仔细检查发现，无论使用何种类型的电解质，涂层都均匀地沉积在整个表面上，没有可见的缺陷。因此，可以确定所选的电化学参数产生了具有显著前景的涂层。此外，观察到所有涂层都由非常薄且狭窄的带状晶体组成。晶体的生长方向垂直于cp-Ti表面，这是电化学沉积技术的特征。羟基磷灰石晶体的生长方向与pH值和施加的电流密度密切相关。已经证明，通过电化学技术获得的涂层可以沿着c轴或a轴生长。在本研究中，由于pH值为4.6且施加的电流密度为?0.85 mA/cm2，观察到HAp晶体的生长沿着c轴进行[52]。正如文献[52,57]所指出的，较高的pH水平（高于4）结合电流密度小于1 mA/cm2已知会诱导形成针状或棒状晶体。
在电化学沉积过程中，羟基磷灰石的形成是由阴极-电解质界面的异质核化控制的。尽管电解质的整体pH值约为4.6，但阴极反应（如水还原）会产生氢氧根离子（2H2O + 2e? → H2 + 2OH?），导致钛表面附近的pH局部升高，并引起磷酸钙相的过饱和。从结晶的角度来看，经典和非经典途径都可能促进羟基磷灰石的形成。经典成核涉及在达到临界过饱和度时直接形成晶体核，而非经典机制涉及形成前体簇和非晶态磷酸钙中间体，这些中间体随后转化为结晶态羟基磷灰石。这些过程在仿生和电化学环境中特别相关[[61], [62], [63]]。
在比较基于氯化物和硝酸盐的电解质获得的涂层时，cHAp涂层表现出厚度不同的带状晶体，在某些区域甚至几乎是针状的。这些差异应定性解释为带状结构的异质取向和垂直于平面的分布。由于它们不是共面的，不能同时聚焦，任何尺寸分析都会产生偏差。
涂层形态受每次阴极脉冲期间产生的局部CaP过饱和度控制，并受电解质组成的调节。在脉冲恒电流控制下，随着HAp层厚度的增加，阴极电位向更负的值移动，这与膜电阻的增加和H2释放的增加一致，这可以增加成核密度。在硝酸盐电解质中，硝酸根的还原可能还会促进OH?的生成，从而在相对较低的极化下促进沉淀。在氯化物电解质中，局部pH的升高主要依赖于水/质子的还原，并且与H2的释放更紧密相关，这与更粗糙、更多孔隙的层状结构相关。虽然脉冲（1秒）/关闭（1秒）制度有助于H2的释放和部分浓度恢复，但在关闭期间电解质依赖的微观结构差异仍然存在。文献报告了从板状晶体到带状结构通过c轴伸长的时间依赖性演变，这受到阴极附近Ca2+、PO43?和OH?的局部可用性的控制[64,65]。此外，三电极设置也允许在电流控制沉积期间准确跟踪电位演变[52]。
通过离子交换方法添加Cu引起了一些结构变化。无论电解质的类型如何，Cu取代HAp结构导致带状晶体变薄且密度减小。然而，在更高的放大倍数下，SEM图像显示电解质的性质影响了涂层的形态。因此，当涂层来自硝酸盐电解质时，带状晶体的尺寸似乎更小。离子交换过程后HAp晶体的减小可以归因于在15分钟的浸没时间内，其中一些晶体可能经历了降解过程。值得注意的是，无论电解质类型如何，离子交换方法都没有在HAp涂层中诱导Cu纳米颗粒的形成。
总体而言，这些观察结果确认了电化学沉积的HAp形态受到电解质组成和施加电流密度的强烈影响。氯离子与Ca2+的络合作用较弱，相比之下，硝酸根离子可以增加有效的过饱和度和成核，有利于形成延长的晶体，而硝酸根离子可能会形成短暂的钙复合物，导致较温和的成核速率和晶体尺寸的微妙变化。这种行为与文献中描述的异质结晶和电化学沉积机制一致[44,46]。这种行为与文献中描述的异质结晶和电化学沉积原理一致[61,66]。
3.2. 化学组成
通过EDX映射分析三个不同区域，确定了化学组成和元素分布，每个涂层的代表性结果如图2所示。结果显示，基于HAp的涂层的EDX光谱中最强烈的峰对应于钙（Ca）、磷（P）和氧（O），表明涂层由磷酸钙组成。EDX光谱还显示了与cp-Ti基底相关的其他强度。此外，硅（Si）的检测可能是金相制备过程的一个后果，这表明在cp-Ti的表面上残留了一定量的杂质。下载：下载高分辨率图片（2MB）下载：下载全尺寸图片图2. 通过EDX获得的所研究表面的化学成分和元素分布。关于元素分布，可以观察到对于cHAp和nHAp涂层，钙和磷在整个分析表面上均匀分布。同时，在Cu掺杂的羟基磷灰石涂层中也可以观察到Cu的均匀分布，无论电解质性质如何，都没有聚集或缺陷的现象。图3显示了HAp涂层的特征元素浓度以及Ca/P比率。结果表明，nHAp涂层中的钙含量（61.38 (±0.19) at.%）高于cHAp涂层（60.51 (±0.04) at.%），这表明基于硝酸盐的盐有利于钙的沉积。相比之下，从氯化物基电解质获得的涂层中磷的含量更高（39.49 (±0.04) at.%），而从基于硝酸盐的电解质获得的涂层中磷的含量为38.63 (±0.18) at.%。下载：下载高分辨率图片（405KB）下载：下载全尺寸图片图3. HAp的特征元素浓度及其比率（Ca/P）。关于铜浓度，与钙含量类似，可以观察到对于cHAp-Cu涂层，铜的含量为1.03 (±0.02) at.%（相当于1.77 (±0.03) wt.%），而nHAp-Cu涂层的铜含量为2.25 (±0.05) at.%（相当于3.86 (±0.07) wt.%）。根据文献，推荐的铜浓度范围是在1.50 at.%到5 at.%之间，这样的浓度具有优异的抗菌活性和高生物相容性，可以抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌[38,67]；而5 at.%的铜浓度被认为是一个良好的折中值，既能增强抗菌性能又能保持可接受的生物相容性[68]。超过5 at.%的铜浓度会导致细胞毒性效应，降低细胞活力，使其不适合用于植入物应用[38]。经过离子交换过程后，所有涂层类型的钙和磷含量都降低了。具体来说，基于硝酸盐的涂层中的钙含量从61.38 (±0.19) at.%降至59.17 (±0.15) at.%，基于氯化物的涂层中的钙含量从60.51 (±0.04) at.%降至59.53 (±0.08) at.%；磷含量也从39.49 (±0.04) at.%略微降至39.45 (±0.04) at.%，以及从38.63 (±0.19) at.%降至38.64 (±0.05) at.%。对于基于HAp的涂层计算的(Ca+Cu)/P比率低于化学计量值1.67，表明在所有四种情况下都存在钙不足的羟基磷灰石。值得注意的是，cHAp涂层的Ca/P比率（1.53）低于nHAp涂层的1.58。这些值不仅受钙和磷含量的影响，还受所用前体的种类（即基于氯化物和硝酸盐的溶液）的影响。这些发现与文献中的先前报道一致[69]。掺有Cu的HAp涂层基于氯化物的(Ca+Cu)/P比率约为1.54 (±0.01)，而基于硝酸盐的涂层则接近化学计量值1.67。根据Drouet等人的研究[70]，离子交换溶液的最大离子浓度应为0.01 M，因为更高的浓度不会替代更多的离子。还需要注意的是，离子的价态在离子交换过程中也很重要。在这种情况下，铜和钙的价态相同，从而加速了离子交换。图4展示了所开发涂层的XRD图案，无论使用的是基于氯化物还是硝酸盐的电解质，都显示羟基磷灰石（HAp, ICDD #09-0432）是主要相。这证实了在所有情况下都成功形成了化学计量的磷灰石结构。不同前体类型的相组成一致性突显了电化学沉积方法的稳健性，并表明电解质的变化主要影响微观结构和功能性能，而非相纯度——这对生物医学应用中的涂层定制非常重要。下载：下载高分辨率图片（802KB）下载：下载全尺寸图片图4. 未掺铜和掺铜的HAp基涂层的衍射图（a），以及最强峰2θ=26°的详细图像（b）和晶格参数、晶粒尺寸及结晶度的变化。XRD分析显示，最强烈的衍射峰出现在2θ ～ 26°，对应于(002)反射面，表明涂层沿着c轴优先取向，垂直于cp-Ti基底表面。这种取向是电化学沉积涂层的特征，与SEM图像中观察到的表面形态一致（图1）。这种优先取向可能增强涂层的生物性能和机械稳定性，证明了沉积方法产生了结构有序的HAp层。此外，分析还识别出根据国际衍射数据中心（ICDD）标准#044-1298特定于钛基底的衍射峰。因此，对羟基磷灰石基涂层的分析显示，在2θ角度约24°和30°处有清晰的衍射峰，表明存在磷酸钙前体monitite（ICDD #01-071-1759）。涂层中monitite的存在被认为是促进骨诱导和刺激细胞增殖的关键成分[71]。所有涂层在2θ=38.4°处都显示出衍射峰，对应于钛基底。值得注意的是，无论电解质类型如何，加入銅后该峰的强度都有所增加，这可能表明存在额外的相。为此，考虑了金属銅（#04-0836）和氧化銅（CuO, #80-1917）的ICDD标准。如图4a所示，未检测到金属銅；然而，在2θ=38.4°处观察到的衍射峰被归因于CuO，表明其在Cu掺杂涂层中的形成。CuO的存在可能会影响涂层的生物和抗菌性能，提高其功能表现。CuO的形成可能与离子交换过程有关，在此过程中，HAp晶格中的钙离子部分被铜离子（Cu2?）替代。当引入的铜量超过HAp结合Cu2?离子的能力，或由于合成过程中的各种因素（如pH变化、温度和/或合成时间），铜可能会以CuO的形式沉淀[72,73]。已知CuO通过产生活性氧物种（ROS）对革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌具有抗菌作用[74, [75], [76]]，但在高浓度下，CuO可能具有细胞毒性，从而影响生物相容性[77]。尽管如此，研究[74,78]表明CuO-HAp复合材料可以表现出更好的血液相容性和细胞反应，表明它们在组织工程应用中的潜力。更具体地说[38,72,79]，含有1–2 wt.%铜的HAp-Cu涂层可以在抗菌活性和生物相容性之间达到良好的平衡。然而，超过5 wt.%的浓度可能导致细胞活力降低和细胞毒性增加。因此，必须根据预期应用、合成方法和所需的抗菌性能仔细调整铜含量。在许多情况下，需要进一步的研究和测试来微调CuO的浓度。最终，精确控制CuO的掺入量对于确保有效的抗菌性能和可接受的生物相容性至关重要。尽管SEM分析未检测到Cu纳米颗粒，并且XRD分析仅显示一个CuO衍射峰，可以假设其在涂层中的比例很小。如图4.a所示，详细的衍射图显示，銅的掺入导致向右方向轻微移动。这一发现表明HAp结构中的一部分Ca2+被Cu2+替代，Cu2+的离子半径（0.073 nm）小于Ca2+（0.100 nm）[80,81]。这直接影响结晶度和晶格参数。使用Scherrer方程计算出的晶粒尺寸分别为cHAp的26.27 nm和nHAp的25.93 nm，表明使用基于氯化物的电解质时获得了略微更大的晶粒尺寸。此外，无论电解质类型如何，Cu的添加都会使HAp基涂层的晶粒尺寸减小，cHAp-Cu的晶粒尺寸为25.76 nm，nHAp-Cu的晶粒尺寸为25.28 nm。由于晶粒尺寸小于100 nm，可以认为这些值属于纳米材料的范围，这对于植入过程中的生物活性至关重要[82]。Park等人的研究[83]探讨了Cu离子对湿化学沉淀合成的HAp纳米粉末的影响，发现增加Cu浓度会导致晶粒尺寸略有减小。这种效应归因于HAp晶格中Ca2?离子被较小的Cu2?离子成功替代，从而改变了晶体结构。其他研究也报告了类似的趋势[84,85]，支持了本工作的发现。这些结构变化很重要，因为它们影响材料的生物活性、机械性能和潜在的生物医学应用。研究表明，在磷灰石晶格中掺入Cu2?会导致Ca2?的替代，从而导致a和c晶格参数以及结晶度的降低[34,[84], [85], [86], [87]]。这种效应归因于Cu2?（73 pm）的离子半径小于Ca2?（100 pm），当Cu替代Ca时会导致晶胞收缩。这种晶格收缩会反映在材料的机械性能和生物性能上。具体来说，结晶度从cHAp的47.78%和nHAp的45.96%分别降低到cHAp-Cu的45.08%和nHAp-Cu的42.59%。其他研究也报告了在HAp结构中添加Cu后的类似降低[34,36,88]。这些结构变化，包括由于Ca2?替代导致的结晶度和晶粒尺寸的减小，可能增强生物吸收[89], [90], [91], [92]。因此，基于氯化物盐合成的HAp涂层显示出比基于硝酸盐盐合成的涂层更高的结晶度和更大的晶粒尺寸。这种现象可以归因于氯化物离子较低的络合能力，从而更有效地促进成核和晶体生长。Sundarabharathi等人的研究[93]表明，通过高压釜辅助水热法从氯化物前体制备的HAp纳米颗粒表现出针状形态和更大的晶粒，而基于硝酸盐的HAp则形成球形颗粒，晶粒尺寸较小。这些发现表明氯化物离子有利于更有序的晶体形成、更快的成核和更大的晶体，而硝酸盐离子可能会引入氧化应激、气体释放和缺陷，导致晶体更小且无序，从而阻碍晶体生长和降低结晶度。为了验证衍射数据，还对开发的样品进行了X射线荧光分析。该分析主要旨在评估不同样品之间的成分变化。尽管XRF和EDX分析在本质上相似（都基于相同的原理），但由于几个原因，结果可能会有所不同：虽然两者都是表面技术，但XRF平均分析的深度/面积相对较大，而EDX分析的是表面附近的微小体积[94]。这在讨论涂层或表面层时尤为重要，应结合使用这两种方法以提供互补和更可靠的成分数据[95]。此外，XRF依赖于稳健的校准。在某些条件下，XRF可能会系统性地高估或低估某些元素的含量[96]，而EDX则可能在处理接近的能量峰时会出错（尤其是当存在多种过渡金属和稀土元素时），或者由于对过薄、过于粗糙的多相样品应用了φ(ρz)类型的矩阵校正而产生一致的误差（成分误差甚至误判结果）[96][97][98]。通过XRF分析，提取了两种类型的信息：特征光谱（见图5）和样品的元素组成（见表4）。下载：下载高分辨率图像（353KB）下载：下载全尺寸图像图5. 两个样品的XRF光谱。每个样品由两个光谱组成，一个对应于束流1（管电压40 kV——用于重元素），另一个用于轻元素的定量（管电压10 kV）。图中的插图更详细地展示了两个感兴趣的区域：HAp特有的轻元素区域——1.8 KeV至约4 KeV，以及Cu区域（7.8至约9 KeV）。表4. 通过XRF获得的半定量结果。元素/样品 cHApcHAp-CunHApnHAP-CuP (%)3.615±0.0295.236±0.0383.601±0.0245.169±0.037Ca (%)5.475±0.0417.991±0.0455.653±0.0398.054±0.044Ti (%)90.431±0.03386.503±0.03790.323±0.03286.456±0.037V (ppm)N.D.710±120450±1201090±120Fe (ppm)283±33239±12236±32221±31Cu (ppm)1128±341568±361170±311606±36Ni (ppm)133±16107±15N.D.131±16(Ca+Cu)/P1.521.561.571.59从图5可以看出，尽管四个样品的光谱总体形状非常相似，但可以识别出一些微小的差异。具体来说，含铜样品中的特征CuKα线（8.05 KeV）强度较高。由于在钛基底中存在铜的可能性极低，因此纯HAp涂层在Cu区域观察到的强度很可能是由于二次荧光或吸收边缘效应造成的，这通常会导致EDXRF（特别是便携式仪器）无法分辨这些效应[99,100]。有趣的是，元素的定量分析为样品提供了更清晰的信息（见表4）。由于结果受到基底的影响较大，因此呈现为半定量结果。然而，这些结果与EDX的结果相当吻合。

3.4. TEM和SAED分析
TEM图像（图6，a、c、e、g）证实了SEM图像的结果，表明涂层由带状晶体组成。下载：下载高分辨率图像（609KB）下载：下载全尺寸图像图6. 开发的涂层的TEM（a、c、e、g）和SAED（b、d、f、h）图像。基于测量的d值报告了环索引，见表5。如图6（b、d、f、h）和表5所示，SAED图案显示了明确的多晶环结构，从而突显了HAp纳米粒子的晶体性质。这些衍射环对应于不同的晶体学平面，并与XRD结果非常吻合。这进一步验证了形成了纯相的羟基磷灰石。表5. 分析样品的SAED特征。样品 测量环参数 1/2r (1/nm) d (?), 确定 Δd (?) d (?), 理论 kl cHAp6.464±0.0293.094±0.0143.089(2 1 0)7.856±0.0282.546±0.0092.533(3 0 1)11.435±0.1591.749±0.0241.757(3 0 3)12.739±0.1011.570±0.0121.573(3 3 0)17.282±0.1091.157±0.0071.160(4 3 3)cHAp-Cu6.435±0.0293.108±0.0143.089(2 1 0)7.869±0.0722.542±0.0232.533(3 0 1)11.203±0.0731.785±0.0121.784(1 4 0)12.102±0.0141.653±0.0021.647(3 2 2)12.986±0.0291.540±0.0031.545(2 4 0)nHAp6.378±0.0583.136±0.0293.089(2 1 0)7.662±0.1592.610±0.0542.633(2 0 2)11.934±0.0141.676±0.0021.685(1 0 4)12.843±0.0101.557±0.0011.545(2 4 0)16.970±0.0871.179±0.0061.177(1 3 5)nHAp-Cu6.350±0.1733.150±0.0863.173(1 0 2)7.893±0.0432.534±0.0142.533(3 0 1)11.963±0.0141.672±0.0021.685(1 0 4)13.045±0.0291.533±0.0031.534(3 3 1)17.533±0.1291.141±0.0081.142(4 0 5)19.372±0.1081.032±0.0061.032(7 1 2)“环参数”列中的数值对应于从测量得到的环直径计算出的倒易衍射参数1/2r。层间距dw是从该参数计算得出的；dw的不确定性是通过将与环位置测量相关的实验不确定性传播得到的。在所有SAED分析中，每个样品都观察到一组定义明确的同心环，表明样品是多晶的，由许多随机定向的纳米晶体组成，而不是单晶。环的清晰度（与连续的扩散晕圈相对）表明纳米晶体相对有序，可能在10–50 nm范围内。还可以在主环之间识别出一些模糊区域和弱的连续晕圈，表明晶体颗粒周围存在部分非晶或结晶度较差的物质。这种形态在生物生成的或低温形成的羟基磷灰石中很常见，其中结晶度较差的区域和次级磷酸钙相共存[101]。羟基磷灰石的图案应具有与其六方结构相对应的特征层间距：(002) d值约为3.44 ?（明显的内环）；(211) d值约为2.81 ?（强且特征明显）；(300)/(202) d值约为2.78 ?（常与211重叠）；(310)/(222) d值约为2.63 ?（中等强度）；(222)/(213) d值约为1.94 ?（常见的外环）。在呈现的图案中，内环和中间环与预期的(002)和(211)/(300)反射对齐，与六方HAp一致[101,102]。外环的持续存在（直到大约d ≈ 1.9 ?的位置）证实了羟基磷灰石的晶体特征[103]。然而，还有一些额外的模糊环不在HAp的预期范围内，这些环无法对应于标准的HAp图案。这些额外的环可能对应于：β-三钙磷酸盐（β-TCP, Ca?(PO?)?）——在d ≈ 2.85 ?和2.72 ?附近有反射，这些反射经常与HAp(211)/(112)线重叠但位置略有偏移；CaO或CaCO?微域——如果样品在煅烧过程中未完全沉淀或部分分解则可能存在；中心点周围的扩散非晶晕圈——与非晶磷酸钙（ACP）一致，这是纳米HAp合成中的常见前体或残留相[104]。图案显示了主要为晶态的羟基磷灰石相，具有与其六方结构相对应的特征层间距。主环之间的模糊背景强度表明存在非晶或结晶度较差的磷酸钙区域，这是部分成熟的纳米羟基磷灰石的典型特征[105]。存在与HAp不符的模糊额外环以及模糊的非晶晕圈表明还存在其他相关的磷酸钙相，如β-三钙磷酸盐和非晶磷酸钙，但含量较少。这与XRD的测定结果一致。均匀的环分布表明纳米晶体随机取向（无特定的纹理或优选方向），这与均匀的成核-生长过程一致[101,104]。

3.5. 表面粗糙度和涂层厚度
图7显示了通过光学轮廓测量得到的粗糙度参数和涂层厚度。在轮廓测量中，获得了粗糙度平均值（Ra）、均方根粗糙度（Rq）和偏度（Rsk）参数。下载：下载高分辨率图像（408KB）下载：下载全尺寸图像图7. 所有开发涂层的粗糙度参数和涂层厚度值。研究表明，较为粗糙的表面更容易发生腐蚀。Ra参数是表面粗糙度的可靠指标，其中nHAp-Cu的平均粗糙度最高，为242 nm，而cHAp-Cu的最低，为212 nm。未掺杂的cHAp和nHAp之间的差异很小，仅相差3纳米（237 nm vs. 234 nm）。添加铜后，基于氯化物的涂层的Ra参数有所降低，而基于硝酸盐的涂层则略有增加。这一发现表明，虽然电解质类型对纯HAp的粗糙度影响不大，但在加入Cu后其影响较为显著。Rsk值反映了表面粗糙度的不对称性。值为零表示表面完全平坦；负值表示存在更多的凹坑或凹陷，而正值表示存在更多的峰或凸起。所有涂层的Rsk值均为正值，并且在加入Cu后略有减小，这可能归因于HAp结构中Ca2?被Cu2?替代。涂层厚度是通过测量涂层与基底之间的高度差确定的，测量值在11.20至11.74 μm之间。加入Cu后涂层厚度略有减小，这可能是由于离子交换过程中涂层降解，导致Ca2?被Cu2?取代。涂层厚度的减小可归因于离子交换过程中发生的溶解-再沉淀机制。Cu2+取代Ca2+时，由于离子半径较小，会引起晶格收缩和结构致密化。此外，外层羟基磷灰石层在含铜溶液中的部分溶解也导致了厚度的减小[106]。

3.6. 化学键
通过红外（IR，图8.a.）、拉曼（Raman，图8.b.）和近红外（NIR，图8.c.）光谱研究了开发涂层中功能基团的振动模式。图8.a. 的FTIR光谱显示了HAp基涂层的特征峰，这些峰与磷酸盐（PO43?）和羟基（OH?）基团有关。561–601 cm?1和1024 cm?1附近的峰归属于磷酸盐基团的振动。更具体地说，PO?3?基团的P-O和O-P-O振动出现在1200–400 cm?1范围内，分别对应于ν3–1200–900 cm?1；ν1–960 cm?1；ν4–630–500 cm?1；ν2–470 cm?1[107]。此外，3572 cm?1和636 cm?1处的峰对应于OH?离子的伸缩振动。在1294和1202 cm?1处观察到的P-OH基团表明羟基与磷原子结合，通常是作为磷酸盐（PO43?）单元的一部分。其存在可能与结晶不完全或表面水化有关，可能是由于在电解质中使用了NH4H2PO4作为前体[52,108]。P-OH基团的结构和功能意义包括增强HAp表面的亲水性和反应性，从而促进蛋白质吸附和细胞附着。此外，P-OH基团可以积极参与离子交换和磷灰石的再沉淀，这对骨整合过程至关重要。另外，858 cm?1处的IR峰通常与氢磷酸盐（HPO42?）中的P–OH弯曲模式相关[87,109]。这一发现表明开发的涂层是非化学计量的，也可能表明存在少量的蒙脱石，正如XRD分析之前所指出的。拉曼光谱提供了关于HAp基涂层振动带的补充信息。HAp在拉曼光谱中最显著的峰通常出现在960 cm?1左右，对应于磷酸盐四面体结构中P-O键的对称伸缩振动（ν1）[110,111]。PO?3?基团的不对称伸缩模式（ν?）在1030–1080 cm?1范围内表现为较弱的峰，而PO4??四面体的弯曲模式出现在较低的波数，即ν?（约430 cm?1）和ν?（约580–610 cm?1）振动。因此，约430 cm?1（ν?弯曲）、约580–607 cm?1（ν?弯曲）和约960 cm?1（ν?伸缩）的拉曼峰是磷灰石PO?3?振动的特征。在加入Cu后观察到的约150 cm?1处的弱拉曼峰表明可能存在氧化铜。已知Cu?O在150 cm?1附近有强烈的拉曼峰，以及528 cm?1和623 cm?1附近的额外峰[112,113]。对于CuO，主要的拉曼位移分别位于约298 cm?1、约346 cm?1和约632 cm?1[114,115]。由于大约624 cm?1的Cu?O拉曼峰缺失，表明存在的氧化铜主要是CuO[116,117]。因此，150 cm?1附近的弱峰可能归因于CuO作为次要相的存在，这与XRD结果一致。SEM观察也未发现表面纳米颗粒，进一步证实了CuO作为次要相的存在。图8.c. 中的HAp近红外（NIR）光谱显示了其组成水分子和磷酸盐基团的特征峰。具体来说，HAp的NIR光谱在5200 cm?1和7000 cm?1处有两个主要的水吸收峰。在7140 cm?1（约1400 nm，O–H伸缩的第一泛音）和5260 cm?1（约1900 nm，水分子的弯曲和伸缩振动组合）附近观察到宽吸收带。这些吸收光谱来源于水分子的O–H键伸缩振动、H–O–H键弯曲组合振动以及与磷灰石晶格相关的泛音振动，或者吸附在表面的水分子所产生的振动。虽然水分子在近红外（NIR）区域占据了主导地位，但磷酸根离子（PO?3?）的微弱泛音和组合振动谱带（例如ν??+?ν?）也可能对整体光谱特征有所贡献，从而将PO?3?团簇的影响略微扩展到NIR区域。这些NIR峰的强度和位置可能会受到HAp晶体结构、其他离子或分子的存在以及材料水合状态的影响。

通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱（Raman）进行的化学键分析证实，所制备的涂层主要由HAp相组成，并且Cu2?并未完全替代HAp晶格中的Ca2?，这导致形成了另一种次要相——CuO。HAp涂层中CuO的存在可以提高涂层的抗菌性能、生物活性、成骨活性以及电化学行为，这些特性对于生物医学应用至关重要[38,87]。

3.7 模拟环境中的电化学行为
全面理解金属植入物的电化学行为至关重要，因为它直接影响其腐蚀性、降解情况，进而影响患者的安全性和植入物的成功性。植入物材料与生物流体之间的这种动态相互作用可能会引发不良的生理反应，包括释放潜在的细胞毒性离子和金属颗粒。通过研究这些相互作用，可以评估保护性氧化层的稳定性，确定腐蚀速率，并开发出更具生物相容性的材料和植入物设计。本研究采用线性极化技术来测定所制备涂层的电化学行为。图9显示了塔菲尔图（Tafel plots），从中可以推导出材料的主要电化学参数。

腐蚀电位（Ecorr）和电流密度（icorr）参数是通过塔菲尔外推法（Tafel extrapolation）确定的。极化电阻（Rp）则使用Stern-Geary [118]公式进行计算：
Rp = 12.3·βa·|βc|/(βa + |βc|·icorr)
其中Rp表示极化电阻，βa和βc分别是阳极和阴极的塔菲尔斜率，icorr表示腐蚀电流密度。

Elsener经验公式被用来估算涂层的总孔隙率（P）[119]：
P = (Rp_substrate/Rp_coating)·10^(-|ΔEi=0|bα)
这里Rp_substrate和Rp_coating分别代表基底和涂层的极化电阻，ΔEi=0表示涂层与基底之间的腐蚀电位差，βa表示基底的阳极塔菲尔斜率。

通过在SBF（模拟生理缓冲液）中测定保护效率参数（Pe），来评估涂层的保护能力：
Pe = (1 - icorr_coating/iccorr_substrate)·100
其中iccorr_coating和iccorr_substrate分别是涂层和基底的腐蚀电流密度。

基于HAp的涂层在Ti基底上通过电化学方法沉积时，其电化学行为和生物矿化能力受到涂层晶体结构、表面形貌、粗糙度以及离子取代等成分改性的显著影响。表面形貌和粗糙度不仅是地形描述符，它们还影响电解质在涂层中的渗透和传输，并改变Ti与HAp界面处的有效表面积，进而影响电荷转移。此外，当表面形貌导致孔隙连通、裂纹或界面密封不良时，也会影响电化学行为。这些表面特征还会影响CaP晶核在SBF中的形成速率。

表6展示了所研究样本的主要电化学参数，为了更好地理解这些结果，图10中也给出了相应的图表。

表6. 基于HAp的涂层的主要电化学参数
| 样本 | Ecorr (mV) | icorr (nA/cm2) | βc (mV) | βa (mV) | Rp (kΩ·cm2) | Pe (%) | P (%) |
| Ti | 158.9 | 49.86 | 109.47 | 234.44 | 650.72 | -- |
| cHAp | 44.93 | 44.88 | 137.02 | 304.26 | 915.18 | 66.15 |
| cHAp-Cu | 46.77 | 28.70 | 102.98 | 454.50 | 1271.72 | 42.43 |
| nHAp | 99.55 | 38.15 | 153.81 | 127.97 | 56.63 |
| nHAp-Cu | 47.23 | 28.64 | 109.71 | 129.27 | 1211.54 | 45.40 |

图10. 所研究样本的电化学参数（Ecorr - 腐蚀电位；iccorr - 腐蚀电流密度；Rp - 极化电阻；Pe - 保护效率；P - 孔隙率）

众所周知，具有较低腐蚀电流密度（iccorr）、较高极化电阻（Rp）和较高保护效率（Pe）的材料表现出更优的电化学性能。值得注意的是，所有提出的涂层都能够在电解质-基底界面形成保护屏障，从而提高Ti基底的耐腐蚀性，例如它们的iccorr值较低（49.86 nA/cm2），Rp值较高（650.72 kΩ·cm2）。

仅对涂层本身的比较分析表明，添加Cu可以改善HAp涂层的电化学性能，无论电解质类型如何：Ecorr值更正，iccorr值更小，Rp值更高（例如cHAp-Cu: Ecorr = 46.77 mV, icorr = 28.70 nA/cm2, Rp = 1271.72 kΩ·cm2；nHAp-Cu: Ecorr = 47.23 mV, icorr = 28.64 nA/cm2, Rp = 1211.54 kΩ·cm2）。在抗腐蚀性能方面也观察到了类似的趋势。研究发现，掺铜的HAp涂层具有更高的保护效率（Pe）和更低的孔隙率（例如cHAp-Cu: Pe = 42.43%，P = 45.24%；nHAp-Cu: Pe = 42.55%，P = 45.40%）。相比之下，未掺铜的HAp涂层显示出较低的Pe值和较高的孔隙率。

如果考虑电解质类型，电化学参数分析显示，从硝酸盐基电解质制备的未掺铜HAp涂层比从氯化物基电解质制备的涂层具有更好的电化学性能；而Cu掺杂的HAp涂层之间的差异不大，因为测量值非常接近。由此可见，无论前体类型（硝酸盐 vs 氯化物），Cu的添加对HAp涂层的影响是相同的。不过，未掺铜和掺铜HAp之间的差异可能是因为Cu的引入导致晶体尺寸减小，从而使涂层变得更致密，根据扫描电子显微镜（SEM）分析，这减少了腐蚀介质渗透的路径，提高了 barrier 属性。

因此，Cu掺杂羟基磷灰石涂层的优异电化学性能与其结构特性密切相关。Cu2?部分替代Ca2?会导致晶格畸变并降低结晶度，增加表面反应性，促进离子交换过程。文献指出，结晶度较低的相容易快速溶解，影响结构完整性；而过度结晶的涂层可能变得脆弱并促进微裂纹的形成，从而对电化学性能产生负面影响[121,122]。从表面形貌上看，致密且紧密的结构（如层状、针状或带状的HAp晶体填充孔隙和裂纹）是优选的，因为它们能有效阻挡电解质渗透，从而提高耐腐蚀性，这对长期植入物的稳定性至关重要[123,124]。

3.8 生物活性行为
如前所述，基于HAp的涂层因其与天然人骨无机相的相似结构而成为研究的重点，这使得它们成为增强金属植入物生物活性的理想候选材料。因此，下一步研究逻辑是评估它们在模拟体液（SBF，模拟人体血浆）中的磷灰石形成能力。在此过程中，监测了不同时间点下的质量变化，所得结果如图11所示。浸渍7天和14天后，从测试介质中取出并在干燥器中干燥后，涂层出现了明显的分层现象。由于这一限制，无法进行可靠的SEM形态分析。为了克服这一困难，采用了重量法来测定浸渍后的样品质量。每个样品分别在与其储存容器结合和分离的情况下进行称重，两者之间的差值即为样品质量。

根据实验结果，在浸渍的前7天内，所有涂层（无论电解质类型或是否含有Cu）的质量增加相似，1天内不超过1.10毫克，7天后为5.03毫克。浸渍14天后，各涂层之间的差异变得明显：从氯化物基盐制备的涂层质量更低。同时，Cu的添加略微延缓了SBF中磷灰石的沉淀过程，但在cHAp-Cu涂层中质量下降幅度更大，达到8.31毫克，而未掺铜的HAp（cHAp）质量为14.28毫克，质量减少了40%以上。nHAp涂层也呈现类似趋势，质量仅减少了约16%，从14.70毫克降至12.33毫克。这表明，从硝酸盐基盐制备的涂层在生物矿化过程中具有更高的活性。

从硝酸盐基电解质沉积的羟基磷灰石涂层中观察到的更高生物活性和更强的生物矿化作用可以归因于多个相互关联的因素。硝酸根离子的吸附性和侵蚀性较低，导致金属基底表面更为清洁且反应性更强；而氯离子容易在表面上强烈吸附，可能阻塞晶核形成位点，从而降低涂层支持磷灰石生长的能力[57]。Cu2?的引入略微延缓了SBF中磷灰石层的形成和生长，但并未完全抑制生物矿化过程。这种行为可能是由于Cu2?与涂层表面的相互作用改变了磷酸钙的晶核形成动力学。Cu2?可能吸附在活性表面位点上，暂时减少了磷灰石形成的晶核数量。此外，羟基磷灰石晶格中的离子取代可能会增加其溶解度并改变表面电荷，从而影响Cu2?和PO?3?离子从SBF中的吸附。尽管初期有延迟，所有涂层最终都显示出诱导磷灰石形成的能力，证实了它们的生物活性，这与之前的研究结果一致[123,125,126]。

4. 结论
成功地将羟基磷灰石涂层通过电化学沉积方法沉积在钛基底上，并通过离子交换工艺掺入Cu。这些涂层呈现出带状形态，并证实Cu已融入HAp晶格中。电解质类型影响了涂层的结晶度和厚度，而Cu的添加改善了其电化学性能。所有涂层均表现出磷灰石形成能力，凸显了其在生物医学应用中的潜力。