微弧氧化又称等离子体电解质氧化、阳极火花沉积，是一种通过调节电解液成分和电参数，在电弧放电产生的瞬时高温高压作用下，于铝、镁、钛等金属及其合金表面形成致密陶瓷氧化膜的表面改性技术。
近年来，生物医用金属材料因具有良好的机械性能、生物相容性能和优异的加工性能及许多其他医用材料不可替代的优良性能 ，被广泛应用于临床植入材料，例如：钛合金可用作口腔种植材料 ，镁合金可用作心血管支架 ，锌合金可用作骨科植入物。作为优质的生物医用材料，不仅要保证材料的力学性能、生物相容性、抗菌性能和释药性能，减少金属在植入过程中带来的组织损伤，同时还要在对人体不产生排斥的情况下促进相应组织的愈合和生长。
植入材料的感染问题与手术的成败有很大关系，因此研发出具有抗菌性能和抗炎性能的植入体材料十分必要。微弧氧化可以将生物活性元素加入到电解液中，从而嵌入到氧化膜涂层上，进而改善金属表面的生物相容性和抗菌性能。
1.1 单独应用微弧氧化技术
钛及其合金由于其优异的机械性能和生物相容性而被广泛用于医疗植入装置(人工关节、骨固定器、脊柱固定器、牙科植入物等)。细菌黏附于植入物表面后，能够形成细菌微菌落、分泌胞外聚合物并形成生物膜，在生物膜的保护下细菌极易在材料表面增殖，从而导致感染，这也被认为是口腔科和骨科植入手术失败的主要原因。由于铜、锌和银等金属成分具备良好的抗菌性能，所以研究者经常采用微弧氧化技术将上述元素添加到材料表面涂层中。
(1) 应用微弧氧化技术添加铜：铜具有很强的抗菌作用，并已被用于修饰医用钛的表面。
KANG 等采用微弧氧化在钛表面制备了掺杂不同浓度铜元素的具备火山形微孔表面形貌的二氧化钛涂层，抗菌实验表明，掺杂铜的二氧化钛涂层对金黄色葡萄球菌和牙龈卟啉单胞菌具有良好的抑菌性能。
镁及镁合金由于可吸收、良好的生物相容性和与天然人体骨相似的机械性能等优势，在骨修复材料研发中得到越来越多的青睐。但镁及其合金的抗菌效果较差，为了改善镁合金的抗菌性能，有学者利用微弧氧化将铜掺入到镁合金表面，实验表明不同 Cu2+ 含量的涂层对材料抗菌活性的影响不同。
(2) 应用微弧氧化技术添加锌：锌在 DNA 合成、核酸代谢、生物矿化等生物功能中发挥着重要的作用，同时锌还具有优异的抗菌性能。
YE 等在钛表面制备了掺杂锌的双层结构镀层，该双层结构的表面层完全由包含钛、氧和锌元素的非晶态组成，其中锌以弱化Zn-O键的形式存在，随着微弧氧化电压的升高，表面非晶态锌的掺杂剂量会增加，弱化的Zn-O键可调控Zn2+的释放和活性氧的产生。
(3) 应用微弧氧化技术添加银：银具有较强的抗菌活性，对哺乳动物的细胞毒性很小，还能够加速伤口的愈合，近年来已被用于各类医疗器械中。
有学者直接通过一步微弧氧化将银和锶掺入到多孔二氧化钛涂层中，该涂层展现了较强的短期和长期抗菌能力，抗菌实验表明，当银含量为 0.58%、锶含量为 1.85% 时，涂层对金黄色葡萄球菌的抗菌率在 24h 后达到了 100%；在磷酸缓冲盐溶液中浸泡 30d 后仍保持了相当强的抗菌性能 。
(4) 应用微弧氧化技术添加锰：在钛基植入物表层掺入锰被认为是制备生物活性表面的一种有前途的方法。
锰既可以提高成骨活性又可以抑制细菌增殖，特别是针对革兰阴性大肠杆菌和铜绿假单胞菌。ZHAO 等通过微弧氧化在钛表面制备了 Mn-TiO2 微孔生物涂层，体外实验表明该涂层可造成大肠杆菌收缩、细胞壁穿孔与细胞膜破裂，对大肠杆菌的增殖有抑制作用，并且抗菌能力随锰含量的增加而增加。
(5) 应用微弧氧化技术添加铋：铋化合物不仅已成功用于治疗黏膜和真皮感染，而且被认为是磷酸钙骨水泥中的抗菌添加剂。
LIN 等通过微弧氧化制备了掺杂铋的二氧化钛涂层，结果表明 48h 内该涂层上伴放线杆菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的菌落数减少率分别为 88% 和 89%，表明该涂层能够抑制伴放线杆菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的生长。
(6) 应用微弧氧化技术添加非金属：微弧氧化技术还可以将其他非金属材料掺入到涂层内部。
SUN 等将不同含量的自组装氧化石墨烯通过微弧氧化技术添加到钛表面，制备出具有诱导牙本质样矿化和预防感染能力的改性钛基牙髓封闭材料，结果表明Ti-MAO-1.0 mg/mL 氧化石墨烯涂层对变形链球菌的抗菌率为 (90.81±4.02)%。
1.2 微弧氧化与其他表面改性技术联合应用
微弧氧化技术中的电压、时间、温度、电解液成分等因素均会影响涂层的表面形貌和成分，从而影响涂层的表面性能。孔隙率高且孔隙直径大的微弧氧化膜疏松层，不仅影响微弧氧化膜的表面质量，还加快了腐蚀介质侵蚀基体的速度。微弧氧化与其他表面改性技术联合应用既可以有效解决孔隙对材料表面性能的影响，还可以赋予涂层良好的抗菌活性、细胞相容性和促成骨活性，抵消元素带来的细胞毒性。
微弧氧化与其他表面改性技术的联合应用可分为两种类型 ：第一种是联合其他表面改性技术向微弧氧化涂层中掺入功能性元素，如水热处理、磁控溅射、浸渍涂覆等；第二种是联合其他表面改性技术改善微弧氧化涂层的物理形貌，如超声辅助微弧氧化、高能喷丸等。
(1) 联合其他技术向微弧氧化涂层中掺入功能性元素：光疗包括光热治疗和光动力治疗，被认为是治疗细菌感染的有效方法。
CHAI 等采用微弧氧化、水热处理和静电键合等复合工艺在钛表面成功制备了二氧化钛/二氧化钼/壳聚糖涂层，在高温和活性氧的协同作用下，涂层在 808nm 近红外光照射 15min 后，体内外实验均表现出对变形链球菌的良好抗菌能力。
(2) 联合其他技术改善微弧氧化涂层的物理形貌：超声辅助微弧氧化被认为是生产高质量钛基骨科植入物的一种有前途的表面改性方法。
LV 等通过超声辅助微弧氧化构建多层锌改性二氧化钛涂层，培养 24h 后微弧氧化处理涂层组抗菌率为 77.6%，而经超声辅助微弧氧化处理涂层的抗菌率接近 90%，实验结果表明超声波能显著提高锌改性二氧化钛涂层的杀菌效果。
表 1 ｜含有抗菌机制实验汇总
2、微弧氧化技术对金属植入物抗炎能力的调节作用
生物材料的表面特性 ( 表面形貌、粗糙度和孔隙率等 ) 能影响蛋白质黏附，形成的蛋白质层可以进一步介导凝血系统、补体系统、血小板和免疫细胞的状态，也会影响免疫炎症细胞的进一步募集和黏附。研究者可以通过更改生物材料的表面涂层来修饰支架表面物化性能，以调整促炎级联反应的启动 ，因此生物材料的表面特性在抗炎症和促伤口愈合反应中起着关键作用。由此可知，细胞和生物材料之间的界面是决定软组织和硬组织能否成功再生的关键。
金属涂层
LI 等采用微弧氧化技术在钛基体上制备了含镁的二氧化钛涂层，结果表明镁可以作为抑制炎症和介导成骨的抗炎剂，在与生物材料整合后可以赋予骨生物材料抗炎特性。
非金属涂层
有学者描述了一种用羟基磷灰石纳米颗粒装饰的微孔二氧化钛涂层，该涂层是通过微弧氧化作用于钛并随后退火产生的。通过改变微弧氧化的退火温度可以调整涂层的表面形貌、润湿性和化学性能。体外实验表明，退火温度为 650 ℃的微弧氧化涂层不仅支持成骨细胞和内皮细胞的增殖和分化，还可抑制巨噬细胞的炎症反应。
微弧氧化与其他表面改性技术的联合应用
有学者采用微弧氧化和水热处理的混合工艺在钛表面上制备了β-FeOOH/TiO2 涂层，该涂层在大鼠皮下软组织感染模型中植入 4d 后，通过下调白细胞介素 1β、白细胞介素 6 和诱导型一氧化氮合酶的表达减轻炎症反应。
3、小结
综上所述，微弧氧化可以通过改变电解液成分制备不同物理形貌的表面涂层，且可以联合其他表面改性技术提高钛、镁等合金的抗菌性能和抗炎性能，在骨科和牙科等领域有着广泛的应用前景。
目前研究多局限于金属涂层，而且大部分研究集中在银、铜等具有良好抗菌性能的金属元素，仅有少数研究提到氧化石墨烯、羟基磷灰石和壳聚糖等非金属涂层，未来可以对无机物涂层和高分子涂层进行广泛研究，也可采取更多种不同生物活性元素的组合来提高抗菌性能。目前微弧氧化技术所制备的植入体涂层炎症研究多局限于免疫系统，且集中在巨噬细胞，而其对于中性粒细胞、血小板等的研究稀缺，未来需联合应用多种先进技术手段探究微弧氧化涂层对其他免疫细胞和炎症细胞的具体影响。
