东京医科齿科大学生物材料工学研究所金属生物材料学领域的塙隆夫教授的研究团队，与大阪大学研究生院工学研究科材料生产科学专业的藤本慎司教授的研究团队通过联合研究，分析了钛钝化膜（覆盖钛表面的薄氧化膜）的电子能带结构，发现钛之所以表现出优异的生物相容性，是因为钛同时具备了高耐腐蚀性和适度的反应性。该研究是在文部科学省的出岛项目等的支援下进行的，相关成果已经发表于国际科学期刊Science and Technology of Advanced Materials上。
图：各种氧化物及其钝化膜的带隙能量比较。钛钝化膜的带隙能量比其他钝化膜小，且反应性高。（供图：东京医科齿科大学金属生物材料学领域 塙隆夫教授）
很多研究和临床结果都表明，钛及钛合金的生物组织相容性在金属材料中尤为优异，所以被广泛用作医疗材料。人们推测这种优异的生物相容性并不是单纯因为钛的高耐腐蚀性，而是还有其他因素，但此前一直不清楚具体是什么因素。
材料表面的生物组织形成是受材料与生物体之间的界面反应控制的，但此前并未研究其本质，只以实用化为目标，集中研究了如何在固体材料上促进组织的形成。
本次联合研究通过X射线光电子能谱（XPS）和光电化学反应分析，阐明了钛钝化膜在汉克斯溶液和生理盐水中的能带结构。使用的是用于体内埋植等用途的医用工业纯钛CPTi（JIS2级）。
研究结果显示，钛钝化膜最外层的带隙小于n型半导体锐钛矿和金红石，也小于锆、钽和钛等高耐腐蚀金属的钝化膜。
研究团队认为，这种相对比较小的带隙能量诱发了钛的反应性，再加上高耐腐蚀性，所以形成了良好的生物相容性。
关于医疗领域使用最多的钛材料具有良好的生物相容性，此前实施过调查其生物反应的大量研究，虽然影响生物相容性的因子位于材料表面是显而易见的事，但始终没有从材料表面的角度进行过研究。
而此次的研究着眼于这一点，提出了从材料表面的电子状态密度来考虑生物相容性原理的新方法。
由此，对于长期以来始终是个谜团的钛的优异生物相容性的原因，通过材料表面的电子能带结构和带隙能量确认，除了高耐腐蚀性外，还因为钝化膜的带隙能量小，因此钛表现出了适度的反应性。
不仅仅是钛，生物体模拟环境中的钝化膜电子能带结构几乎都没有进行过研究，此次的研究就这一点而言也提供了新的视角。
固体表面的生物反应的起点是材料表面与生物组织之间的电子转移，因此，此次的研究方法为根据电子转移来解释材料的生物反应开辟了道路，同时也为从表面电子状态统一理解生物相容性开辟了道路。
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Science and Technology of Advanced Materials
论文：Band structures of passive films on titanium in simulated bioliqids determined by photoelectrochemical response: Principle governing the biocompatibility
DOI：doi.org/10.1080/14686996.2022.2066960
