Fe-Mg复合粉末在模拟体液中降解特性及生物相容性研究

《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Degradation, Cytotoxicity, and Antibacterial Properties of Fe-Mg Powders in Simulated Body Fluids

本文系统研究高能球磨制备的Fe-5 wt.% Mg粉末在三种模拟体液（PBS/HBSS/DMEM）中的降解动力学，揭示Mg元素通过加速腐蚀产物（如β-FeO(OH,Cl)）生成、调控pH值与离子释放（Fe2+/Mg2+），显著提升材料降解速率与抗菌活性，为可吸收骨植入物设计提供新策略。

　　

亮点

微观结构与物相鉴定

Fe5Mg-BM粉末的降解响应与Fe-BM和Fe99在PBS、HBSS和完全DMEM培养基中进行了对比。X射线衍射的定量Rietveld分析（表1；补充材料图S1-S3）揭示了培养基和材料之间的显著差异。具体表现为：在PBS或DMEM中浸泡3天和14天后，F99粉末基本保持金属状态（99.7 wt.%），仅在PBS中检测到微量（约1 wt.%）的β-FeO(OH,Cl)（四方纤铁矿），在DMEM中检测到Fe₂(CO₃)OH₂（楚卡诺维石）。然而，Fe5Mg-BM在PBS中仅浸泡3天就产生了大量腐蚀产物，包括β-FeO(OH,Cl)（33 wt.%）以及Fe(OH)₂（氢氧化亚铁）和Fe₂(CO₃)OH₂（总计约10 wt.%）。到第14天，β-FeO(OH,Cl)含量增加至47 wt.%，并出现了FeO(OH)（针铁矿，9 wt.%）和Fe₃O₄（磁铁矿，3 wt.%）。在DMEM中，Fe5Mg-BM在第3天主要生成Fe₂(CO₃)OH₂（25 wt.%）和β-FeO(OH,Cl)（12 wt.%），第14天时Fe₂(CO₃)OH₂含量增加至39 wt.%。

降解研究

铁的降解行为因其对环境与材料变量的复杂依赖性而持续被深入研究。尽管条件各异，但在中性介质中的初始降解阶段通常涉及铁的阳极溶解（反应式2）和阴极氧还原（反应式3）。

阳极反应：Fe(0) → Fe²⁺ + 2e^-

阴极反应（氧还原）：O₂ + 2H₂O + 4e^- → 4OH^-

然而，此后的进程受到局部微环境、合金成分和介质组成的强烈影响。

结论

本研究证明，Fe5Mg-BM表现出最高的降解速率，尤其是在HBSS中，同时产生可溶性和不溶性产物。Mg的加入不仅提高了pH值，而且与Fe99或Fe-BM相比，促进了更早、更显著的降解。在DMEM中，缓冲能力和蛋白质含量影响了离子释放和降解产物的悬浮。重要的是，细胞相容性结果表明，Fe5Mg-BM提取物仅在较高浓度下引发中度细胞毒性。