磁控溅射制备Mg-Zn-Ca非晶薄膜的腐蚀防护机制与生物相容性研究及其在植入器械中的应用

针对镁基植入体降解速率过快的问题，南昌大学团队通过射频磁控溅射(RF-MS)技术调控功率(16~28 W)与沉积时间(90~150 min)，制备出具有致密结构的Mg-Zn-Ca非晶薄膜(TFMGs)。研究发现120 min-20 W参数组合形成的薄膜在30天浸泡实验中展现最优腐蚀防护性能，同时保持良好细胞相容性，为可降解镁基植入体的表面工程提供了重要参数优化策略。

　　

镁及其合金作为新一代可降解生物医用材料，因其弹性模量与骨组织相近、可避免应力屏蔽效应等优势备受关注。然而，纯镁在生理环境中的快速腐蚀、氢气泡生成以及点蚀问题，严重制约其临床应用。尽管微弧氧化、电化学沉积等表面处理技术能部分缓解这些问题，但现有方法仍难以满足骨折愈合等临床场景对降解速率的精确控制需求。

南昌大学研究人员在《Journal of Alloys and Compounds》发表的研究，创新性地采用射频磁控溅射技术(RF-MS)在纯镁基底上制备Mg₆₆
Zn₃₀
Ca₄
非晶薄膜(TFMGs)。通过系统调控溅射功率(16~28 W)和沉积时间(90~150 min)，发现中等参数(120 min-20 W)形成的薄膜具有最致密的无序结构，其腐蚀电流密度比基底镁降低两个数量级，在模拟体液(SBF)中30天仍保持结构完整。细胞实验证实该薄膜对L929成纤维细胞无毒性，且Zn含量控制在50 at.%以下时可平衡腐蚀防护与生物相容性。

关键技术包括：使用纯镁和Mg₆₆
Zn₃₀
Ca₄
合金分别作为基底和靶材；通过SEM/AFM表征薄膜形貌；采用电化学工作站进行动电位极化测试；通过XRD分析非晶结构；开展30天SBF浸泡实验评估长期降解行为；使用L929细胞系进行间接细胞毒性检测。

【初始样品制备】
采用Φ10×4 mm纯镁圆柱作为基底，机械抛光至Ra<0.05 μm后超声清洗。Mg₆₆
Zn₃₀
Ca₄
靶材经真空熔炼后加工成Φ50×5 mm圆盘，确保成分均匀性。

【Mg-Zn-Ca TFMGs微观结构】
SEM显示16~24 W功率下薄膜表面呈现典型非晶特征，无晶界缺陷；AFM测得120 min-20 W样品表面粗糙度(Ra)最低(2.1 nm)，而28 W样品出现纳米级孔洞。XRD证实所有薄膜均呈现宽化馒头峰，表明成功制备非晶结构。

【制备机制】
功率超过24 W时，溅射粒子能量过高导致基底局部升温，引发非晶-纳米晶转变；沉积时间>150 min则因应力积累产生微裂纹。最优参数(120 min-20 W)符合Frank-van der Merwe层状生长模型，形成厚度1.8 μm的连续致密薄膜。

【腐蚀行为】
电化学测试显示最优样品的腐蚀电位(-1.42 V_SCE
)较纯镁(-1.68 V_SCE
)显著正移，腐蚀电流密度降低98%。长期浸泡中，该样品表面形成含Zn(OH)₂
/Ca₃
(PO₄
)₂
的复合钝化层，降解速率稳定在0.12 mm/year。

【生物相容性】
CCK-8检测表明Zn含量<50 at.%时细胞存活率>95%，但Zn过量(>60 at.%)会抑制成纤维细胞增殖。溶血率测试满足ISO 10993-5标准(<5%)。

该研究证实RF-MS参数精确调控可优化Mg-Zn-Ca TFMGs的"腐蚀-生物性能"平衡，其创新点在于：首次在可降解镁基底上实现非晶薄膜的原位防护；建立溅射功率-薄膜致密度-腐蚀速率的定量关系；提出Zn含量双重调控机制——既通过形成Zn(OH)₂
提高耐蚀性，又需控制其释放浓度维持生物安全性。这些发现为可降解镁基植入体的临床转化提供了表面改性新范式。