利用超声雾化技术和飞秒脉冲激光烧蚀技术，优化镁基合金表面的聚己内酯涂层，以应用于生物医学领域

《Surfaces and Interfaces》：Optimising a polycaprolactone coating on a magnesium-based alloy for biomedical applications using ultrasonic atomization and femtosecond pulsed laser ablation

镁合金表面激光预处理结合聚己内酯涂层可显著提升耐腐蚀性，60次涂层效果最优，电化学测试和表面分析证实其有效性和稳定性，为可吸收支架提供新解决方案。

　　镁合金在生物医学领域中的应用引起了广泛关注，特别是在可吸收支架（bioresorbable stents）方面。这类材料因其优异的机械性能和良好的生物相容性，被视为一种极具潜力的植入物选择。然而，镁合金在生理环境中的高降解速率仍然是其临床应用的主要障碍之一。在本研究中，我们探索了一种新型的表面处理与涂层结合的方法，旨在显著提高WE43镁合金的耐腐蚀性能，从而增强其在生物医学中的应用潜力。

WE43镁合金作为一种常用的生物可吸收材料，因其在人体内能够逐渐降解并被吸收，具有支持组织修复和再生的特性。然而，这种材料在体内环境中容易发生快速腐蚀，导致其在完成支撑功能后过早失效，进而引发潜在的健康风险。为了解决这一问题，研究人员提出通过表面预处理与涂层技术的结合，来延缓镁合金的降解速率，同时保持其生物相容性。具体而言，本研究采用了一种基于飞秒激光脉冲的表面处理技术，随后通过超声雾化喷涂的方式在表面覆盖一层聚己内酯（PCL）涂层。这种双步骤的处理方式不仅提高了涂层与基底材料之间的结合力，还有效增强了材料的耐腐蚀性能。

飞秒激光脉冲表面处理技术是一种先进的表面改性方法，它利用超短脉冲激光（通常在飞秒时间尺度上）对材料表面进行精确的加工。与传统的激光处理技术相比，飞秒激光具有更小的热影响区（HAZ）和更低的烧蚀阈值，能够在不显著影响材料内部结构的情况下，对表面进行深度改造。通过调整激光参数，如脉冲能量、扫描速度和扫描间距，可以生成不同类型的表面纹理，从而优化涂层的附着力。在本研究中，研究人员采用了不同的扫描间距（100 μm、50 μm和25 μm）来生成不同的表面结构，并发现较短的扫描间距能够显著提高表面粗糙度和氧化层厚度，进而增强PCL涂层的机械嵌合和化学结合。

PCL是一种半结晶的脂肪族聚酯，因其良好的生物相容性和可控的降解速率而被广泛应用于生物医学领域。PCL的降解速率较慢，相较于聚乳酸（PLA）或聚乙醇酸（PGA）等材料，它在体内能够更长时间地维持结构完整性，从而为组织修复提供更稳定的支撑。此外，PCL的降解产物通常不会引发炎症反应，这使其成为一种理想的生物可降解材料。在本研究中，PCL被用作镁合金的保护涂层，以减缓其在生理环境中的腐蚀速率。通过超声雾化喷涂技术，研究人员能够在WE43镁合金表面形成均匀且稳定的PCL涂层。这一过程的关键在于如何优化涂层的厚度和均匀性，以确保其在长期使用中不会脱落或失效。

为了评估这种新型涂层方法的有效性，研究人员进行了多种体外腐蚀测试，包括电化学阻抗谱（EIS）和动电位极化测试（potentiodynamic polarization tests）。这些测试能够定量分析材料在腐蚀环境中的电化学行为，从而判断其耐腐蚀性能。测试结果表明，经过飞秒激光处理的WE43合金在腐蚀速率方面显著优于未经处理的样品，其腐蚀速率降低了高达五倍。此外，经过飞秒激光处理并喷涂PCL涂层的样品表现出更优异的耐腐蚀性能，其中60次喷涂循环的样品表现最佳。这说明通过调整喷涂次数，可以进一步优化涂层的性能，使其在生理环境中具备更长的使用寿命。

除了腐蚀性能的评估，研究人员还对涂层的表面形貌和化学组成进行了详细分析。使用扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）和能谱分析（EDS）等手段，研究人员确认了PCL涂层的均匀性和化学稳定性。这些分析结果表明，经过飞秒激光处理的表面能够有效促进PCL涂层的附着，从而显著提高其在镁合金表面的结合强度。通过划痕测试（scratch tests），研究人员进一步验证了涂层与基底之间的结合力，发现经过激光处理的样品与PCL涂层之间的结合力提高了超过十倍。这一结果表明，飞秒激光处理不仅能够改善表面形貌，还能显著增强涂层与基底之间的相互作用，从而提高整体的耐腐蚀性能。

在实际应用中，镁合金支架需要在体内环境中维持一定的机械强度，以支撑血管或其他组织，同时又不能过早降解，以免影响组织的自然修复过程。因此，研究如何在保持材料机械性能的同时，有效延缓其降解速率，是生物可吸收支架研发中的关键问题。PCL涂层的引入为这一问题提供了一种可行的解决方案。它不仅能够形成一层保护屏障，减缓镁合金的腐蚀，还能通过其良好的生物相容性，促进组织的再生和修复。此外，PCL的可控降解特性使其能够在支架完成支撑功能后逐渐降解，从而避免长期异物反应，提高临床安全性。

然而，尽管PCL在耐腐蚀和生物相容性方面表现出色，它仍然存在一定的局限性。例如，在某些需要快速降解的生物医学应用中，PCL的降解速率可能显得过慢。此外，PCL的机械强度相对较低，可能在某些高强度的应用场景中无法满足需求。因此，研究者在选择涂层材料时，通常会考虑其与基底材料之间的协同效应。在本研究中，PCL被用作一种过渡层，其作用是作为镁合金与后续功能性涂层之间的桥梁。这种设计不仅能够提高涂层的附着力，还能通过PCL的物理和化学特性，为后续的药物或基因释放提供稳定的平台。

在实际应用中，镁合金支架的耐腐蚀性能不仅取决于涂层的类型和厚度，还与涂层的均匀性和稳定性密切相关。如果涂层在体内环境中发生脱落或破裂，可能会导致材料的快速腐蚀，进而影响支架的使用寿命和生物安全性。因此，研究人员需要在涂层的制备过程中，确保其能够牢固地附着在镁合金表面，并且在长期使用中保持结构完整性。通过飞秒激光处理，研究人员成功地在镁合金表面形成了一个具有高结合力的过渡层，这不仅有助于提高PCL涂层的附着性，还能减少腐蚀产物的释放，从而降低对周围组织的潜在影响。

此外，研究人员还发现，飞秒激光处理能够显著改变镁合金的表面化学性质。通过在表面形成氧化层，飞秒激光处理不仅提高了材料的耐腐蚀性能，还增强了其与PCL涂层之间的化学结合。这种化学结合机制使得PCL涂层能够在更长的时间内保持稳定，从而延长支架的使用寿命。相比之下，传统的表面处理方法如阳极氧化或等离子电解氧化（PEO）虽然能够形成氧化层，但其处理过程往往伴随着较大的热影响，可能会影响材料的机械性能。而飞秒激光处理则能够在不破坏材料内部结构的情况下，实现对表面的精确控制，从而保持材料的整体性能。

本研究的创新之处在于，它首次将飞秒激光处理与超声雾化喷涂相结合，用于改善镁合金的耐腐蚀性能和涂层附着力。这种双步骤的方法不仅克服了传统单一处理方式的局限性，还为未来的生物可吸收支架设计提供了新的思路。通过优化激光参数和喷涂循环次数，研究人员能够实现对表面形貌和涂层性能的精确控制，从而满足不同生物医学应用的需求。例如，在心血管支架中，材料需要在体内维持较长的机械强度，同时又不能过早降解，以免影响血管的自然修复过程。而在骨科植入物中，材料则需要在特定时间内降解，以促进新骨组织的生长。

为了进一步验证这种新型处理方法的可行性，研究人员还进行了多种体外测试，包括电化学测试和表面分析。这些测试不仅能够评估材料的耐腐蚀性能，还能揭示其在不同环境下的行为特性。例如，通过电化学阻抗谱测试，研究人员可以分析材料在腐蚀环境中的电化学响应，从而判断其耐腐蚀能力。而通过动电位极化测试，研究人员可以确定材料的腐蚀电位和电流密度，进而评估其在生理环境中的稳定性。此外，表面分析技术如SEM、XPS和EDS能够提供涂层的微观结构和化学组成信息，帮助研究人员理解涂层与基底材料之间的相互作用机制。

在本研究中，研究人员发现，飞秒激光处理能够显著提高WE43镁合金的表面粗糙度和氧化层厚度，这为PCL涂层的附着提供了更好的条件。通过调整扫描间距，研究人员能够生成不同类型的表面纹理，从而优化涂层的附着力。例如，当扫描间距较小时，表面结构变得更加密集，这有助于提高涂层与基底之间的机械嵌合。同时，较厚的氧化层能够提供额外的物理屏障，减缓腐蚀反应的进行。这些发现表明，飞秒激光处理不仅能够改善镁合金的表面特性，还能通过其与PCL涂层的协同作用，显著提高材料的耐腐蚀性能。

在实际应用中，镁合金支架的耐腐蚀性能直接影响其在体内的使用寿命和安全性。如果支架在体内降解过快，可能会导致支架结构的不稳定，进而影响其支撑作用。而如果降解过慢，则可能导致长期异物反应，增加炎症和免疫反应的风险。因此，研究如何通过表面处理和涂层技术实现对镁合金降解速率的精确控制，是生物可吸收支架研发中的重要课题。在本研究中，研究人员通过优化飞秒激光处理和PCL涂层的参数，成功实现了对镁合金降解速率的调控，使其在体内环境中能够维持较长时间的结构完整性，同时保持良好的生物相容性。

此外，研究人员还发现，PCL涂层在体内环境中能够缓慢降解，其降解产物通常不会引发炎症反应，这使得PCL成为一种理想的生物可降解材料。在本研究中，PCL涂层的引入不仅提高了镁合金的耐腐蚀性能，还为后续的功能性涂层提供了良好的基础。例如，在某些需要药物或基因释放的生物医学应用中，PCL可以作为中间层，促进药物或基因的缓慢释放，从而实现更精准的治疗效果。这种设计不仅能够提高支架的使用寿命，还能确保其在完成支撑功能后，能够按照预期的时间逐渐降解，促进组织的自然修复。

总的来说，本研究通过飞秒激光处理和PCL涂层的结合，成功提高了WE43镁合金的耐腐蚀性能和涂层附着力。这种双步骤的处理方法不仅克服了传统单一处理方式的局限性，还为未来的生物可吸收支架设计提供了新的思路。通过优化激光参数和喷涂循环次数，研究人员能够实现对表面形貌和涂层性能的精确控制，从而满足不同生物医学应用的需求。此外，PCL涂层的引入为镁合金支架的临床应用提供了更安全和稳定的解决方案，使其在体内环境中能够维持较长时间的结构完整性，同时保持良好的生物相容性。这种创新性的研究方法不仅为镁合金在生物医学领域的应用提供了新的可能性，也为其他生物可吸收材料的表面处理和涂层技术提供了有益的参考。