综述：细胞培养基表面处理：一种增强镁及镁基合金抗生物腐蚀性的仿生方法——综述

本综述系统探讨了以细胞培养基（尤其是DMEM）作为仿生环境，通过表面处理提升镁（Mg）及镁基合金抗生物腐蚀性能的最新进展。文章详细分析了DMEM中形成的碳酸化Ca/Mg-磷酸盐保护层相较于Mg(OH)2对Cl?侵蚀的优越抵抗性，并比较了不同缓冲体系（如HEPES、Tris/HCl）及蛋白质对腐蚀行为的影响。同时，综述还涵盖了体外与体内降解率的差异、中间涂层（如GO、PDA）的功能化设计以及流体剪切应力（FISS）对保护层稳定性的作用，为可降解镁基植入材料的临床转化提供了重要理论依据和技术方向。

　　

摘要

在当代骨科领域，可生物降解临时骨植入材料的需求推动了镁（Mg）及其合金的发展。镁基材料具有生物活性、骨传导性及与天然骨匹配的力学性能，且降解过程中释放的Mg²⁺离子可刺激成骨细胞活性并促进骨重塑。然而，镁的快速腐蚀、局部pH升高及氢气释放等问题限制了其临床应用。为应对这些挑战，仿生表面改性成为一种有前景的策略，其中Dulbecco改良 Eagle培养基（DMEM）作为一种有效的仿生环境，能够在镁基植入体表面形成抗腐蚀层，维持生理pH并模拟体内降解行为。

1 引言

可生物降解金属作为第三代生物医用材料，因其在局部组织重建、负载植入中的应用潜力而备受关注。镁基合金的密度和力学性能与天然骨更为接近，有助于减少应力屏蔽效应。然而，镁在生理环境中的快速降解导致力学性能过早丧失、氢气积聚及组织碱化，因此需通过合金化、热处理、表面改性及复合材料等策略提升其性能。表面改性因其直接与生物环境接触而成为研究重点。

2 仿生涂层

仿生沉积是一种简单、经济且环保的在镁基合金表面合成钙磷（CaP）涂层的方法，尤其是羟基磷灰石（HA）生物陶瓷，因其良好的生物相容性和抗腐蚀性能而受关注。仿生涂层通过模拟生理条件（如模拟体液SBF）在植入体表面形成骨样磷灰石，但镁离子的存在抑制晶体形成，且氢气释放导致涂层不均匀。因此，需针对镁基底调整仿生协议，如改变SBF组成、pH及添加引发层（如肽、聚多巴胺PDA）。

3 仿生涂层的表面改性方法

研究表明，通过调节SBF的pH（如pH=6）可促进骨样HA的形成，提高涂层的结晶度、抗腐蚀性和细胞相容性。短时间浸入过饱和钙化溶液（SCS）可在纯镁表面形成HA涂层，但其抗腐蚀性受溶液pH和组成影响。此外，采用3DSS肽、氧化石墨烯（GO）、聚多巴胺（PDA）或明胶作为中间层，可引导HA结晶并增强涂层附着力，显著改善镁合金的抗腐蚀性能和生物活性。

4 DMEM中的离位保护层

镁基合金在细胞培养基（如DMEM、EMEM）中浸渍可形成含Ca、Mg、P、O的腐蚀层，具有抗腐蚀和骨诱导特性。DMEM中的有机和无机成分（如氨基酸、碳酸氢盐）比SBF和Hank's平衡盐溶液（HBSS）更接近生理条件，能降低腐蚀速率。研究表明，DMEM中浸渍可在镁表面自发生成碳酸化Ca/Mg-磷酸盐层，减少镁释放并增强细胞粘附。预浸渍处理（如6小时）可优化表面特性，促进细胞生长，而蛋白质的添加（如FBS）可能通过吸附作用进一步影响腐蚀行为。

5 DMEM中的原位保护层

细胞培养基作为腐蚀环境时，其有机营养成分易导致微生物污染，需使用抗生素或UV灭菌。DMEM中的高碳酸氢盐和低氯离子浓度有助于镁碳酸盐的形成，实现表面钝化。添加蛋白质（如BSA、FBS）可降低镁的腐蚀速率，使其更接近体内条件，并促进CaP化合物沉积。缓冲体系的选择至关重要：HEPES和Tris/HCl缓冲液加速腐蚀并抑制CaP形成，而CO₂/HCO₃^?缓冲体系能稳定pH，生成类体内降解层。层状组装涂层（如PA+bPEI+GO）可增强抗腐蚀性和抗应力腐蚀开裂（SCC）性能。中间涂层（如nBG/PCL复合涂层、铁涂层、Nd离子注入、MgF₂涂层）可促进HA沉积，但需优化含量以平衡生物活性和抗腐蚀性。流体剪切应力（FISS）的增加会加厚MgO/Mg(OH)₂层但减少Ca-P沉积，加剧局部腐蚀，故需控制流体速度以维持保护层稳定性。

6 知识差距与未来方向

当前研究多基于静态体外条件，未能充分模拟生理环境的动态性、细胞相互作用及免疫响应。未来需开发更先进的实验模型，结合介质更新频率、骨细胞（成骨细胞、破骨细胞）的调控作用及局部免疫微环境的影响，以更准确预测镁基植入体及仿生涂层的长期性能和机械稳定性。

7 结论

DMEM作为一种仿生浸渍环境，不仅能维持生理pH、实现与体内相当的降解速率，还能形成与体内相似的碳酸化Ca/Mg-磷酸盐抗腐蚀层，其对Cl^?侵蚀的抵抗性优于Mg(OH)₂。然而，合成缓冲液（如HEPES、Tris/HCl）会加速腐蚀并抑制CaP形成；含蛋白质的细胞培养基易污染，需谨慎用于长时间处理；功能化中间层（如肽、GO、PDA）可有效引导HA结晶；动态流体条件需精确控制以防保护层失稳。这些发现为可降解镁基植入材料的表面工程设计提供了重要依据。