Mg-Zn-Ca 合金磁控溅射ZrO2薄膜的生物相容性及电化学行为评价

镁及镁合金的弹性模量和比密度与人体骨骼接近，和其他生物医用材料类似，有利于降低植入物与人体骨骼界面的“应力屏蔽”并提供适度的力学支撑；另外，由于镁合金具有降解能力，不需要二次手术取出植入体，因此镁及镁合金在骨修复领域具有良好的应用潜力。然而，镁合金的化学性质活泼，耐腐蚀性能差，植入机体在骨折愈合之前其自身已降解或者力学性能下降严重，起不到固定作用，限制了其应用。Mg-Zn-Ca合金因具有高强韧性、耐腐蚀性和生物安全性的良好匹配而得到广发关注。然而，该合金初期的高腐蚀速率和析氢量限制了该合金的临床应用进程。为此研究人员开发了表面改性的手段解决镁合金面临的上述问题。有研究表明通过不同技术沉积在镁基合金上的ZrO2涂层可提供腐蚀保护，并显示出优异的生物相容性和诱导成骨细胞分化的潜力，但是关于利用磁控溅射的方法在镁合金表面制备ZrO2薄膜的研究鲜有报道。

最近，墨西哥国立自治大学Sandra E. Rodil教授课题组利用磁控溅射的方法在Mg-Zn-Ca合金表面制备ZrO2薄膜，从而改善镁合金的降解速率和服役安全性。并全面评价薄膜的电化学腐蚀行为、失重和析氢行为、生物相容性和抗菌活性。研究结果表明，当ZrO2涂层厚度达到380 nm时，经过3天的浸泡试验，涂层可以显著降低合金的降解速率和析氢速率，并保证基础合金的长效服役性能。和基础合金相比，ZrO2涂层不会影响合金的生物相容性并能够促进骨髓间充质细胞在涂层表面的粘附和增殖能力。最后，ZrO2涂层还可以抑制金黄色葡萄球菌的细胞粘附和生物膜的形成。ZrO2涂层能够显著提高可降解植入物的降解速率和服役安全性，有望推动镁合金在骨科领域的临床应用。

系统研究了电磁溅射参数对ZrO2涂层的厚度和均匀度。结果表明60 min的溅射时间可以获取厚度为386 nm 的涂层，XPS结果表明涂层均匀的分布在基体合金表面。此外，研究了ZrO2涂层对Mg-0.7Zn-0.6Ca（ZX11）合金电化学行为的影响。在整过浸泡过程中，含有ZrO2涂层的合金呈现出一个相对更正的开路电位（图1a）。ZX11和ZrO2涂层合金的Nyquist图呈现三个时间常数（图1b）。高频电容环通常与积累的腐蚀产物的电阻和电容有关。中频电容环是指双层的电荷转移电阻和电容。低频感应环与腐蚀产物在表面的解吸附有关，这与ZX11合金固有的点蚀有关。通常情况下，较大的环半径表示系统的阻抗越大，耐蚀性越好。因此，通过对测量的平均值比较，可以确定ZrO2薄膜提高了合金的耐腐蚀性能。

图1 ZX11合金和包含ZrO2涂层的合金的开路电位以及电化学阻抗谱 (EIS)

重点研究了ZrO2涂层对ZX11合金降解速度与腐蚀形貌的关系。经过长时间的浸泡后，ZrO2涂层可以很好的降低ZX11合金的降解速度。但是两种试样的降解速度随时间的变化趋势差异不明显，前四天的降解速度较快，随着浸泡时间的延长，降解速率显著下降，在14天之后达到了稳定的速率。图2b为平均降解深度与浸泡时间的关系，ZX11合金表现出线性的趋势的斜率(0.37μm/day)，而含有ZrO2涂层的合金则表现出非线性的降解深度，且在15天时速率最低，随着浸泡时间的增加会急剧上升。在去除腐蚀产物的形貌观察中，可以很明显的观察到ZX11合金仅在浸泡4天后就出现了很多的浅腐蚀孔洞，而对于含有ZrO2涂层的合金，仅仅在某些特定的区域出现了局部腐蚀。当浸泡时间增加到30天时，虽然ZrO2涂层的合金的腐蚀凹槽深度大于ZX11合金，然而，这并不影响其整体较低的降解速度，且在一些区域仍然存在ZrO2涂层。

图2 ZX11合金和包含ZrO2涂层的合金的降解速率(a)，平均降解深度(b)，不同时间段的腐蚀形貌图(c)和(d)。

本研究探索了ZrO2涂层对细胞活力的影响，如图3所示。细胞培养3天后，结果显示ZrO2/ZX11样品的培养液中含有大量活细胞（绿色），表现出细长的梭形形态，且在含有ZrO2涂层的合金的提取物中提取到的活细胞数量更多。在培养的第6天，与培养3天时的相应样品相比，观察到所有研究合金的提取物稀释液中的活细胞数量增加，表明ZrO2涂层不会影响细胞的活性。

图3 不同时间段下，在两种不同合金表面的细胞相容性：(a) 3天和(c) 6天

本研究还展现了ZX11和ZrO2涂层合金的抗菌性能，如图4所示。在经历了不同时间段的细菌培养后，在ZX11和ZrO2涂层合金的培养基提取液上检测到的大肠杆菌与金黄色葡萄球菌相比于对照样品明显减小。但培养液中细菌的减少也可能与表面上更多的细菌粘附有关。在培养1天获得的SEM图像中，ZX11合金上可以观察到金黄色葡萄球菌比大肠杆菌细胞更容易粘附在表面，而在含有涂层的ZrO2合金上没有检测到细菌。然而，经过7天的培养，大肠杆菌在两者表面上都形成了生物膜，但金黄色葡萄球菌生物膜仅在ZX11合金上观察到，而含有ZrO2涂层合金上没有被观察到。这两个结果之间的相关性表明，与没有涂层的合金相比，ZrO2涂层合金可以有效抑制金黄色葡萄杆菌的黏附以及生物膜的形成。

图4 从ZX11和ZrO2涂层合金培养液中提取到的 (a)大肠杆菌(b)金黄色葡萄球菌在1天和7天后获得的菌落形成单位总数。(c)大肠杆菌和(d)金黄色葡萄球菌在ZX11和ZrO2涂层合金上的细菌粘附(1天)和生物膜(7天)的扫描电子显微镜照片。

综上所述，ZrO2涂层可以显著降低合金的降解速率和析氢速率。同时，ZrO2涂层合金不会影响合金的生物相容性，能够促进骨髓间充质细胞在涂层表面的粘附和增殖能力，还可以抑制金黄色葡萄球菌的细胞粘附和生物膜的形成，抗菌性能良好。因此，ZrO2涂层能够显著提高可降解植入物的降解速率和服役安全性，有望推动镁合金在骨科领域的临床应用。

来源：JMACCMg