東京醫科齒科大學生物材料工學研究所金屬生物材料學領域的塙隆夫教授的研究團隊，與大阪大學研究生院工學研究科材料生產科學專業的藤本慎司教授的研究團隊透過聯合研究，分析了鈦鈍化膜（覆蓋鈦表面的薄氧化膜）的電子能帶結構，發現鈦之所以表現出優異的生物相容性，是因爲鈦同時具備了高耐蝕性和適度的反應性。該研究是在文部科學省的出島專案等的支援下進行的，相關成果已經發表於國際科學期刊Science and Technology of Advanced Materials上。
圖：各種氧化物及其鈍化膜的帶隙能量比較。鈦鈍化膜的帶隙能量比其他鈍化膜小，且反應性高。（供圖：東京醫科齒科大學金屬生物材料學領域 塙隆夫教授）
很多研究和臨牀結果都表明，鈦及鈦合金的生物組織相容性在金屬材料中尤爲優異，所以被廣泛用作醫療材料。人們推測這種優異的生物相容性並不是單純因爲鈦的高耐蝕性，而是還有其他因素，但此前一直不清楚具體是什麼因素。
材料表面的生物組織形成是受材料與生物體之間的界面反應控制的，但此前並未研究其本質，只以實用化爲目標，集中研究瞭如何在固體材料上促進組織的形成。
本次聯合研究透過X射線光電子能譜（XPS）和光電化學反應分析，闡明瞭鈦鈍化膜在漢克斯溶液和生理食鹽水中的能帶結構。使用的是用於活體內埋植等用途的醫用商用純鈦CPTi（JIS2級）。
研究結果顯示，鈦鈍化膜最外層的帶隙小於n型半導體銳鈦礦和金紅石，也小於鋯、鉭和鈦等高耐酸性鍍金屬的鈍化膜。
研究團隊認爲，這種相對比較小的帶隙能量誘發了鈦的反應性，再加上高耐蝕性，所以形成了良好的生物相容性。
關於醫療領域使用最多的鈦材料具有良好的生物相容性，此前實施過調查其生物反應的大量研究，雖然影響生物相容性的因子位於材料表面是顯而易見的事，但始終沒有從材料表面的角度進行過研究。
而此次的研究着眼於這一點，提出了從材料表面的電子狀能量狀態密度來考慮生物相容性原理的新方法。
由此，對於長期以來始終是個謎團的鈦的優異生物相容性的終極因數，透過材料表面的電子能帶結構和帶隙能量應答，除了高耐蝕性外，還因爲鈍化膜的帶隙能量小，因此鈦表現出了適度的反應性。
不僅僅是鈦，生物假體擬環境中的鈍化膜電子能帶結構幾乎都沒有進行過研究，此次的研究就這一點而言也提供了新的視角。
固體表面的生物反應的起點是材料表面與生物組織之間的電子轉移，因此，此次的研究方法爲根據電子轉移來解釋材料的生物反應開闢了道路，同時也爲從表面電子狀態統一理解生物相容性開闢了道路。
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Science and Technology of Advanced Materials
論文：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
