生物功能化Zr-Ti-Si与Zr-Nb-Fe非晶薄膜增强医用植入体耐腐蚀性与生物相容性的研究

本研究针对316L不锈钢(316LSS)植入体易腐蚀、生物惰性等问题，通过高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)与射频共溅射技术制备了Zr-Ti-Si和Zr-Nb-Fe非晶薄膜(TFMGs)。结果表明，Zr-Ti-Si薄膜使极化电阻(Rp)提升20倍至300 kΩ·cm2，Zr-Ti-Si-28.10at.%组(ZTS200)细胞增殖率显著提高，所有薄膜溶血率<10%，12周动物实验未引发慢性炎症。该研究为开发长效安全的医用植入体涂层提供了新策略。

　　

在医疗植入领域，316L不锈钢(316LSS)虽因机械性能优异被广泛使用，但其易腐蚀、金属离子析出等问题常导致植入失败。更棘手的是，传统涂层如羟基磷灰石(HA)易剥落，而块体金属玻璃(BMGs)又存在室温脆性缺陷。如何开发兼具强韧性和生物安全性的表面改性技术，成为突破植入体寿命瓶颈的关键。

长庚大学化学系的研究团队创新性地采用高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)结合射频溅射的混合工艺，在316LSS基底上制备了四种三元非晶薄膜(TFMGs)：Zr-Ti-Si-13.62at.%(ZTS100)、Zr-Ti-Si-28.10at.%(ZTS200)、Zr-Nb-Fe-31.73at.%(ZNF100)和Zr-Nb-Fe-53.39at.%(ZNF200)。通过调整Si和Fe靶的射频功率(100-200W)，实现了成分精确调控，最终获得具有生物功能化的表面涂层，相关成果发表在《Materials Letters》。

研究采用场发射电子探针微分析仪(FE-EPMA)测定成分，掠入射X射线衍射(GA-XRD)和透射电镜(TEM)确认非晶结构。力学性能通过纳米压痕和划痕测试评估，电化学工作站进行动电位极化测试，MG-63细胞实验和绵羊血溶血试验评价生物相容性，并建立大鼠皮下植入模型进行12周体内实验。

3.1 成分与非晶结构分析

FE-EPMA显示ZTS200的Si含量达28.10at.%，ZNF200的Fe含量达53.39at.%。XRD谱在30-50°呈现典型非晶弥散峰，符合Inoue三原则：三元以上组分、原子尺寸差>12%（Zr-Si达25.8%）、负混合热（Zr-Si为-84 kJ/mol）。TEM选区衍射证实完全非晶态，无纳米晶存在。

3.2 力学与摩擦性能

ZNF200展现最高硬度9.67±0.5 GPa和弹性模量126.6 GPa，H/E比达0.076。划痕测试中ZTS100初始开裂载荷L_C1达12.7N，所有薄膜L_C2>50N。摩擦系数测试显示ZTS200最低(0.46±0.02)，比316LSS(0.59±0.03)更耐磨。

3.3 腐蚀防护机制

动电位极化曲线表明Zr-Ti-Si薄膜极化电阻Rp达306.76 kΩ·cm²，腐蚀电流密度I_corr仅0.06 μA/cm²，比316LSS(1.57 μA/cm²)降低96%。研究者认为小尺寸Si原子(118pm)填充自由体积，形成致密钝化层是关键。

3.4 生物相容性突破

接触角测试显示ZNF100亲水性最佳(63.2±3.3°)，ZTS200的MG-63细胞在第5天增殖率显著提升。所有薄膜溶血率<2.8%，远低于10%的安全阈值。大鼠植入实验显示，12周后IL-1β水平与空白组无统计学差异(p>0.05)，H&E染色未见纤维包裹。

该研究证实Zr-Ti-Si-28.10at.%非晶薄膜具有最优综合性能：其Rp值比316LSS高20倍，细胞增殖率提升显著，且体内实验证实长期生物安全性。这种通过HiPIMS技术实现的"成分-结构-性能"精准调控策略，为开发新一代医用植入体涂层提供了重要范式，特别是解决了传统金属玻璃脆性与生物活性难以兼顾的难题。研究团队特别指出，Zr-Ti-Si体系优异的腐蚀防护性能可能源于Si促进的致密化效应，而Zr-Nb-Fe体系的高Fe含量则展现出良好的血液相容性，这为不同临床场景的涂层设计提供了差异化选择方案。