纳米氧化锌/羟基磷灰石-PMEA复合涂层对316L不锈钢的生物摩擦学与生物腐蚀性能优化研究

《Results in Engineering》：Comparative Study of Bio-Tribology and Bio-Corrosion Behaviour of Hybrid Nano Zinc Oxide/Hydroxyapatite-PMEA Composite Coating on Stainless Steel 316L with Pure n-ZnO and ZnO-Hydroxyapatite Coatings

本研究针对316L不锈钢植入体在生理环境中易发生摩擦磨损和腐蚀降解的问题，通过电泳沉积技术开发了纳米氧化锌/羟基磷灰石-聚(2-甲氧基乙基丙烯酸酯)复合涂层。实验结果表明，(ZnOH)n/P涂层显著降低了摩擦系数(0.25)和磨损率(2×10-7 kg/Nm)，腐蚀速率降至0.0001 mm/年，同时展现出优异的抗菌活性(抑菌圈15 mm)、血液相容性(溶血率1%)和抗炎性能(保护率84.4%)。该研究为长效生物医用植入体表面改性提供了创新解决方案。

　　

在骨科、心血管和口腔等生物医学领域，金属植入体已成为恢复受损组织功能的关键手段。其中，316L不锈钢(SS316L)因其优异的生物活性、疲劳强度和成本效益被广泛应用。然而，人体生理环境中的高氯离子浓度会使植入体面临严峻挑战——不仅容易引发点蚀和缝隙腐蚀，导致有毒金属离子(如镍、钼、钴)释放，还会因摩擦磨损产生磨屑，引发炎症反应并缩短植入体寿命。这些问题的存在严重制约了316L不锈钢植入体的长期稳定性与安全性。

为突破这些技术瓶颈，Vellore Institute of Technology的Mohanram Murugan等研究人员在《Results in Engineering》上发表了创新性研究。他们采用电泳沉积技术，在316L不锈钢表面构建了四种不同涂层：未涂层基底(UCS)、纯纳米氧化锌涂层((ZnO)_n)、纳米氧化锌/羟基磷灰石复合涂层((ZnOH)_n)以及添加聚(2-甲氧基乙基丙烯酸酯)聚合物的三元复合涂层((ZnOH)_n/P)。通过系统评估这些涂层的生物摩擦学性能、电化学腐蚀行为及生物学特性，为开发高性能植入体涂层提供了重要理论依据和实践方案。

本研究主要运用了四大关键技术方法：首先通过电泳沉积技术在不同电压下(30-60 V)实现涂层可控制备；采用模拟体液环境下的销-盘摩擦磨损测试分析生物摩擦学性能；利用电化学阻抗谱和动电位极化测试评估腐蚀行为；通过X射线光电子能谱分析表面化学变化。生物学评价包括针对金黄色葡萄球菌的抑菌圈实验、人红细胞溶血率测定以及红细胞膜稳定性抗炎实验。

3.1. 摩擦与磨损分析

研究发现(ZnOH)_n/P涂层表现出最优异的摩擦学性能，摩擦系数降至0.25，显著低于未涂层样品的0.40。通过扫描电镜观察磨损轨迹显示，未涂层样品表面出现平行于滑动方向的沟槽和脊状结构，表明存在微磨粒磨损和塑性变形。而复合涂层特别是添加PMEA后，因聚合物链与纳米颗粒间形成更强结合，减少了热量产生并形成保护性润滑膜，使磨损率降低至2×10^-7 kg/Nm。能谱分析进一步证实，(ZnOH)_n/P涂层磨损轨迹中元素分布均匀，无明显材料剥落现象。

3.2. 电化学腐蚀分析

塔菲尔曲线显示(ZnOH)_n/P涂层具有最负的腐蚀电位(-1120 mV)和最低的腐蚀电流密度(1×10^-5 mA/cm²)，腐蚀速率仅为0.0001 mm/年。Nyquist图和Bode图分析表明，该涂层的电荷转移电阻显著提高，在低频区(6.67 Hz)呈现最高阻抗模量，表明其表面形成了稳定的钝化膜。扫描电镜观察发现，未涂层样品表面出现明显的点蚀和缝隙腐蚀，而复合涂层特别是(ZnOH)_n/P样品表面腐蚀损伤最轻微，证明PMEA聚合物基质有效阻止了局部腐蚀扩展。

3.3. XPS分析

X射线光电子能谱分析显示，(ZnOH)_n/P涂层中Zn 2p(1022.08 eV)和O 1s(532.08 eV)特征峰强度最高，表明锌氧化物和羟基磷灰石在表面富集程度最高。同时，基体元素(Fe、Cr、Ni)的信号强度相对减弱，证明复合涂层形成了致密的保护层，有效阻隔了基体与腐蚀介质的接触。

3.4. 抗菌活性

抗菌实验表明，(ZnOH)_n/P涂层对金黄色葡萄球菌的抑菌圈直径达15 mm，显著优于其他样品。机制研究表明，PMEA作为结合剂促进了纳米颗粒的均匀分布，增强了涂层表面粗糙度和孔隙结构的抗菌效果。同时，锌离子释放产生的活性氧物种(ROS)可引起细菌细胞膜脂质过氧化和DNA损伤，从而增强抗菌效能。

3.5. 溶血分析

溶血率测试显示(ZnOH)_n/P涂层仅引起1%的溶血，远低于未涂层样品(2.28%)和(ZnOH)_n涂层(3.63%)。这表明三元复合涂层具有优异的血液相容性，其表面特性可最大限度减少对红细胞的机械损伤和化学刺激。

3.6. 抗炎分析

通过人红细胞膜稳定性实验评估抗炎性能，(ZnOH)_n/P涂层展现出84.4%的保护率，表明其能有效抑制炎症反应。这种作用主要归因于PMEA聚合物调节的离子释放动力学和涂层表面与生物分子的良性相互作用。

本研究通过多维度性能评估，证实(ZnOH)_n/P复合涂层在摩擦学性能、腐蚀防护和生物学响应方面均表现出显著优势。其创新之处在于巧妙利用PMEA聚合物的界面调控作用，实现了纳米增强相((ZnO)_n和(HAp)_n)的协同增效。该涂层体系不仅解决了传统316L不锈钢植入体的腐蚀磨损难题，还通过赋予材料抗菌、抗炎功能，提升了生物安全性。这项研究为开发下一代长效生物医用植入体提供了重要的技术支撑和理论指导，具有广阔的临床应用前景。