《Journal of Materials Research and Technology》：Aloe Polysaccharide/Microarc Oxidation Composite Coating on AZ31 Magnesium Alloy: Synergistic Enhancement of Corrosion Resistance and Cytocompatibility for Biomedical Applications
编辑推荐：
一种芦荟多糖/微弧氧化复合涂层（AP/MAO）通过微弧氧化和浸涂工艺制备于AZ31镁合金表面，旨在增强其耐腐蚀性和细胞相容性。扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）结果表明，具有微孔和微裂纹的多孔微弧
一种芦荟多糖/微弧氧化复合涂层（AP/MAO）通过微弧氧化和浸涂工艺制备于AZ31镁合金表面，旨在增强其耐腐蚀性和细胞相容性。扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）结果表明，具有微孔和微裂纹的多孔微弧氧化层被芦荟多糖有效密封，形成厚度为14.38 μm的双层涂层。划痕测试表明其具有强大的附着力（临界载荷Lc3 = 33.14 N）。水滴接触角测量显示出显著改善的亲水性。电化学测试揭示，AP/MAO涂层使腐蚀电位正向移动220 mV（从-1.698 V移至-1.478 V），并将腐蚀电流密度降低近三个数量级（从2.67 × 10??降至3.25 × 10?? A·cm?2）。析氢实验和浸泡实验进一步证实了增强的耐腐蚀性。细胞相容性评估显示，MC3T3-E1细胞在AP/MAO涂层上的增殖超过85%，显著高于未处理的AZ31，且细胞形态保持良好。总体而言，AP/MAO复合涂层协同改善了耐腐蚀性和细胞相容性，为医用镁合金植入物提供了一种新的表面改性策略。
随着社会发展及交通事故等创伤因素导致的颅颌面骨折和骨缺损增加，骨修复与重建用生物医用植入材料的需求显著上升[1, 2]。传统的金属植入物（如钛合金、不锈钢）在骨科应用中存在弹性模量与骨组织不匹配导致的应力遮挡效应，引起进行性骨吸收，且其不可降解性需二次手术取出，增加了手术风险和社会经济负担[3, 4]。镁合金因其优异的生物相容性、合适的机械性能和固有的降解特性，成为有前景的生物可降解植入材料[5]。然而，镁合金在生理环境中腐蚀速率过快，往往在组织完全愈合前丧失结构完整性，无法满足临床时间要求[5]。因此，急需通过表面改性技术增强其耐腐蚀性。微弧氧化（MAO）技术因工艺效率高、环境友好、涂层结合力强且无尺寸形状限制而备受关注[6, 7]。MAO涂层虽能改善耐腐蚀性和骨整合能力[8, 9]，但其表面的微孔和微裂纹易成为腐蚀介质通道，限制长期保护效果[11, 12]。芦荟多糖（AP）因具有抗菌、抗炎、成骨及伤口修复等多重生物活性，且含有能刺激成骨细胞增殖和骨再生的生物活性乙酰甘露聚糖[15, 16, 17]，作为理想的密封材料[18, 19]。本研究旨在构建AZ31镁合金上的芦荟多糖/微弧氧化（AP/MAO）复合涂层，通过AP凝胶化特性（特别是Ca2?交联的乙酰甘露聚糖网络）有效密封MAO层中的微孔和微裂纹，结合MAO的物理屏障功能和AP的生物活性，验证其体外耐腐蚀性和细胞相容性。
为开展本研究，研究人员采用机械抛光预处理AZ31镁合金样本。首先，在含Na?PO?·12H?O、KF和NaOH的电解液中，以镁合金为阳极、不锈钢为阴极，通过双极微弧氧化工艺（电压330 V，持续时间10 min）制备含磷MAO涂层。随后，采用浸涂法，将MAO/AZ31样本浸入芦荟多糖溶胶中，滴加CaCl?溶液并在NaOH调节pH至10–11的条件下搅拌，于50°C水浴中孵育24 h，使AP在MAO表面沉积并形成凝胶密封层，最终获得AP/MAO/AZ31复合涂层样本。研究样本来源于实验室制备的AZ31镁合金，未涉及特定患者样本队列。
研究结果表明，SEM和EDS分析证实MAO层成功形成并呈现出典型的孔隙结构，而AP的沉积显著减少了表面孔隙和微裂纹密度，形成了由内层MAO（约6.72 μm）和外层AP（约7.68 μm）组成的14.38 μm双层结构，EDS映射证实了元素分布符合预期。XRD和FT-IR分析进一步确认了MgO、Mg?(PO?)?相的存在以及芦荟多糖特征官能团的结合。划痕测试显示AP/MAO/AZ31涂层的临界载荷（Lc3）为33.14 N，表明涂层与基体间具有强附着力。水接触角测试显示AP/MAO/AZ31涂层具有优异的亲水性（26.74°）。电化学测试表明，AP/MAO涂层使腐蚀电位正向移动220 mV，腐蚀电流密度降低近三个数量级，归因于AP对缺陷的密封、双层结构延长的扩散路径以及Ca2?交联网络促进的钝化层形成[34]。析氢实验和长期浸泡实验进一步证实，AP/MAO涂层显著抑制了氢气产生和腐蚀坑形成，7天析氢量仅为6.12 mL，腐蚀速率降至0.105 mm·yr?1。细胞毒性评估显示，MC3T3-E1细胞在AP/MAO涂层上的增殖率超过85%，细胞形态良好，符合ISO 10993-5非细胞毒性标准，其机制归因于AP减缓了基体降解导致的pH升高，并提供了仿生细胞外基质支持[33]。
讨论部分指出，AP/MAO复合涂层通过协同机制显著提升了AZ31镁合金的耐腐蚀性和细胞相容性。AP不仅填充了MAO涂层的微观缺陷，阻止了腐蚀介质的渗透，其生物活性成分还促进了成骨细胞的黏附与增殖。该研究为医用镁合金植入物提供了一种有效的表面改性策略，未来研究需结合体内降解动力学和长期骨整合评估，以推动其临床转化。结论部分总结道，研究人员成功开发了AP/MAO复合涂层，该涂层通过密封MAO缺陷形成强附着力双层结构，显著提升了腐蚀电位并降低了腐蚀电流密度，同时展现了良好的细胞相容性，为镁合金在生物医学领域的应用提供了新方向。
