等离子体电解氧化改性Mg-Zn-Ca合金：提升可降解骨植入物耐腐蚀性与生物相容性的新策略

《Surface and Coatings Technology》：Mg-Zn-Ca alloys for biodegradable medical implants. Part II: Surface modification using plasma electrolytic oxidation to improve corrosion resistance and biocompatibility

本研究针对可降解镁合金植入物在生理环境中腐蚀速率过快、生物相容性不佳的瓶颈问题，通过等离子体电解氧化(PEO)技术在Mg-2.6Zn-0.1Ca(wt%)合金表面构建保护性涂层。研究系统优化了硅酸盐(SiO3)和磷酸盐(PO4)基电解液的PEO工艺参数，成功获得厚度5-6μm的均匀多孔涂层。结果表明，磷酸盐基PEO涂层展现出更优的耐腐蚀性能（腐蚀电流密度降至51.36μA），体外生物学评价证实涂层样品离子释放量显著减少，成骨细胞活性提升至73%以上。该研究为开发新一代可降解骨科植入材料提供了重要技术支撑。

　　

随着人口老龄化进程加速和生活方式改变，骨科植入物市场需求持续增长。传统永久性金属植入物（如钛合金、钴铬合金）虽具有优良力学性能，但存在应力遮挡、二次手术取出等问题。可降解镁合金因其良好的生物相容性和可降解性，成为骨组织工程领域的研究热点。镁是人体必需元素，参与300多种酶促反应，对骨骼代谢至关重要。然而纯镁在生理环境中降解过快，产生大量氢气导致局部pH值升高，引起组织坏死等不良反应。

针对这一挑战，研究人员将目光投向Mg-Zn-Ca合金系统。锌和钙都是人体必需微量元素，锌参与伤口愈合和免疫功能，钙是骨骼主要无机成分。但前期研究发现，即使优化了合金成分，Mg-2.6Zn-0.1Ca(wt%)合金的细胞活性仍不理想，亟需表面改性策略改善其性能。本研究采用等离子体电解氧化(PEO)这种环境友好的表面处理技术，通过在合金表面原位生长陶瓷层来调控降解行为。

研究人员系统优化了PEO工艺参数，包括电解液成分（硅酸盐基与磷酸盐基）、电流密度（50-100 mA/cm²）、电压（230-500 V）和处理时间（180-600 s）。通过扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)表征涂层形貌和成分，采用模拟体液(SBF)浸泡试验和电化学测试评估耐腐蚀性能，并通过成骨细胞(Saos-2)的间接毒性试验和直接培养实验评价生物相容性。

表面形貌分析显示，硅酸盐基电解液产生的涂层更均匀（SiO₃-G4厚度4.4±0.6μm），而磷酸盐基电解液在优化参数下可获得更厚涂层（PO₄-P4厚度6.1±0.3μm）。接触角测试表明PEO处理显著改善材料亲水性，表面能从53.1 mJ/m²提升至61.0-68.3 mJ/m²。

腐蚀性能评估结果令人鼓舞。7天浸泡试验中，磷酸盐基PEO涂层样品质量损失率仅为24.35%，显著低于未涂层样品的38.93%。动电位极化测试显示，涂层样品腐蚀电流密度从63.08μA降至约51μA。氢演化实验进一步证实，PO₄-P4样品在溶液更换后降解速率最低（斜率2.92 mL·cm^-2/天）。

生物学评价取得突破性进展。间接毒性试验中，涂层样品提取物处理组细胞线粒体活性超过73%的生物相容性阈值，而未涂层组仅为58.35%。离子释放分析揭示，涂层有效抑制了镁和锌离子的过量释放（未涂层组Mg²⁺浓度63.26mM，涂层组降至13-17mM）。直接细胞培养显示，成骨细胞在涂层表面铺展更好，伪足伸入涂层微孔中形成机械互锁。

讨论部分深入分析了性能差异的机理。磷酸盐基涂层的优越耐腐蚀性归因于Mg₃(PO₄)₂相的形成，其比硅酸盐基涂层的Mg₂SiO₄相更致密。涂层多孔结构不仅提供物理屏障，还增加比表面积促进蛋白吸附和细胞锚定。值得注意的是，磷酸盐基涂层组培养液中磷浓度接近基础培养基水平，表明该涂层可能参与磷代谢平衡。

该研究的创新点在于首次在Mg-2.6Zn-0.1Ca合金上系统比较两种PEO电解液体系的综合性能，并阐明其“涂层结构-降解行为-生物学响应”的关联机制。磷酸盐基PEO处理被确定为该合金的最佳表面改性方案，其在保持良好生物相容性的同时，将腐蚀速率降低约40%。这项工作为可降解镁合金植入物的临床转化提供了重要实验依据，展示PEO技术在调控生物材料降解动力学方面的巨大潜力。

未来研究可聚焦于涂层功能化改性，如负载生物活性因子促进骨整合，或结合可降解聚合物密封微孔进一步延长植入物服务寿命。同时，大型动物实验是验证这些涂层材料在体性能的必要步骤。