《Surfaces and Interfaces》：Enhanced bioperformance of micro arc oxidation-coated ZM21 Mg alloy by incorporating silicate-based bio ceramics
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生物陶瓷增强镁合金微弧氧化涂层的腐蚀与生物性能研究。通过在ZM21镁合金表面采用微弧氧化技术复合滑石（CaSiO?）、硅锌矿（Zn?SiO?）和硬玉矿（Ca?ZnSi?O?）三种硅酸盐生物陶瓷，系统研究了涂层微观结构、电化学行为及生物矿化特性。结果表明硬玉矿涂层具有最佳性能：孔隙率优化促进骨矿化形成（Ca/P=1.65），显著提升腐蚀电阻（最低降解率），并增强MG63成骨细胞的增殖活性。该研究证实硬玉矿作为新型生物陶瓷在镁合金表面改性中具有优越的生物功能性和耐蚀性。
K Ajaya Kumar Reddy | K Renuga Devi | Sreekanth Dondapati
印度金奈Vellore理工学院机械工程学院，邮编600127
摘要
将生物陶瓷集成到表面涂层中，对于提高镁合金在生物医学应用中的生物性能引起了极大的兴趣。在本研究中，使用微弧氧化（MAO）技术对ZM21镁合金进行了涂层处理，并掺入了三种硅酸盐基生物陶瓷：硅灰石（CaSiO?）、纤锌矿（Zn?SiO?）和硬硅石（Ca?ZnSi?O?）。系统地研究了这些生物陶瓷对涂层微观结构、电化学和生物特性的影响。表面表征结果显示，生物陶瓷的加入显著改变了涂层的形态、粗糙度和相组成。电化学分析表明，所有掺有生物陶瓷的涂层相比纯MAO涂层都具有更强的耐腐蚀性。其中，掺有硬硅石的涂层在模拟体液中的降解速率最低，并表现出优异的生物矿化作用，形成了钙磷比（Ca/P）为1.65的多孔磷灰石样结构，这一比例接近羟基磷灰石的近似化学计量比（1.67）。使用MG63成骨细胞进行的生物评估证实，所有掺有生物陶瓷的涂层都促进了细胞增殖，其中掺有硬硅石的涂层由于其优异的生物矿化作用和有利的表面特性而表现出最高的细胞增殖率。这些发现表明，与其他钙和锌硅酸盐陶瓷相比，硬硅石在MAO处理的ZM21镁合金中具有更优越的生物功能性。凭借其显著的耐腐蚀性和促进骨细胞活性的能力，硬硅石成为下一代骨科植入物材料的有希望的选择。
引言
微弧氧化（MAO）是一种先进的电化学表面改性技术，用于改善可降解金属（特别是镁及其合金）的性能。镁由于其良好的机械性能和可降解性，成为骨科应用的有希望的材料，这消除了需要植入物移除手术的需求[1]。然而，它在生理环境中的快速腐蚀仍然是一个主要限制。MAO在镁合金表面形成致密的多孔氧化层，显著提高了耐腐蚀性、耐磨性和生物相容性[2]。此外，该过程中形成的多孔结构为掺入生物活性物质以增强生物相互作用提供了理想的平台。
为了提高微弧氧化（MAO）涂层的功能性能，特别是用于生物医学和耐腐蚀应用，人们广泛采用了各种陶瓷颗粒和离子添加剂。常用的陶瓷如羟基磷灰石、三钙磷酸盐可以改善表面生物活性并促进模拟体液中的磷灰石形成[3]。无机添加剂如硅酸盐、磷酸盐和稀土氧化物（如CeO?、La?O?）被报道可以细化表面形态、提高涂层密度并通过改变等离子体放电行为来增强耐腐蚀性[4]。此外，将螺旋藻等有机化合物加入MAO电解质中也显示出提高耐腐蚀性和进一步改善生物活性的潜力[5]。这些基于添加剂的策略使得开发出适用于可降解骨科植入物的多功能MAO涂层成为可能。
生物活性陶瓷因其促进骨传导性和与周围骨组织整合的能力而受到特别关注[6]。因此，生物陶瓷因其优异的生物活性、骨传导性和生物相容性而在生物医学应用中受到了广泛关注。基于硅酸盐的生物陶瓷，如硅灰石（CaSiO?）[7]、透辉石（CaMgSi?O?）[8]、阿克曼石（Ca?MgSi?O?）[9]和硬硅石（Ca?ZnSi?O?）[10]，特别适用于骨科涂层，因为它们释放了如Si??和Ca2?等关键离子，这些离子在骨再生中起着重要作用。例如，Ca离子的释放有助于细胞生长
这些材料增强了细胞的粘附、增殖和分化，促进了植入物与周围骨组织之间的更好整合。此外，据报道基于硅酸盐的陶瓷可以刺激磷灰石的形成，这对强化的植入物-骨结合至关重要[11]。将它们掺入MAO涂层中不仅提高了镁植入物的生物活性，还通过调节降解速率和优化机械性能促进了长期稳定性。将基于硅酸盐的生物陶瓷加入MAO生成的陶瓷氧化层中，有望提高可降解镁植入物的表面功能性，从而可能改善其耐腐蚀性和生物性能，适用于骨科应用。
因此，本研究探讨了通过掺入生物陶瓷来提高微弧氧化（MAO）处理的ZM21镁合金的耐腐蚀性和生物性能，以应用于生物医学领域。通过引入硬硅石（Ca?ZnSi?O?）、纤锌矿（Zn?SiO?）和硅灰石（CaSiO?）到涂层中，本研究旨在优化表面特性并促进骨生成反应。虽然传统的生物陶瓷因其生物相容性和骨传导性而被广泛使用，但像硬硅石这样的替代硅酸盐基陶瓷提供了额外的优势，包括提高机械强度、可控的离子释放（Ca2?、Si??、Zn2?）以及增强的生物矿化作用，从而进一步促进骨生成和骨再生。这项研究为基于硅酸盐的生物陶瓷在改善镁合金涂层中的作用提供了宝贵的见解，有助于开发更有效的骨科应用生物材料。
部分摘录
MAO涂层沉积
本研究选择ZM21镁合金作为基材。从ZM21镁合金锭材上切割出尺寸为10毫米×10毫米×4毫米的样品。样品经过2000目碳化硅砂纸机械抛光，用乙醇和蒸馏水超声清洗后，在进行MAO涂层沉积前在温空气中干燥。生物陶瓷硅灰石（CaSiO?）[12]、纤锌矿（Zn?SiO?）[13]和硬硅石（Ca?ZnSi?O?）[14]通过溶胶-凝胶方法在实验室合成
电压-时间关系
MAO过程中的电压-时间（V–T）响应（图1a）为涂层形成机制及其对电解质组成的依赖性提供了关键见解。MAO过程通常包括三个阶段：初始阳极氧化阶段、微放电阶段和随后的稳态阶段。特征电压——击穿电压（V）、临界电压（V）和最终电压（V）——在决定涂层的结构和电气性能方面起着关键作用
结论
在本研究中，将基于硅酸盐的生物陶瓷（包括硬硅石（Ca?ZnSi?O?）、硅灰石（CaSiO?）和纤锌矿（Zn?SiO?）掺入ZM21镁合金的MAO涂层中，以改善其表面特性。其中，富含硬硅石的涂层表现出结构良好、多孔的形态，具有深沟槽（S = 95.72 μm），有利于机械互锁和表面反应性。硬硅石涂层还表现出优异的耐腐蚀性，形成了
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