基于人工韧带基底的镁基非晶合金薄膜的制备及抗菌性和生物活性研究

The application of metallic glass in biomedical field is one of the hot and difficult issues. Previous studies have confirmed that metallic glasses have good corrosion resistance property and biocompatibility under simulated human body fluid environment. However, being trapped by the small critical size and other defects, metallic glass has always been unable to achieve a breakthrough in its medical application. To this end, this project proposes a new idea that using metallic glass with special properties to modify current biomaterials. Artificial ligament is a new biomaterial to treat knee cruciate ligament injury. However, the raw material of artificial ligament lacks antibacterial activity and bioactivity, and can not tolerate the high temperature processing environment of conventional surface coatings, which seriously affects its application and development. Accordingly, this project takes Mg-based metallic glass as the research object, Mg-based thin film metallic glass is magnetron sputtered onto artificial ligament as a new surface coating. And then this project will explore the influence of magnetron sputtering process parameters and the mechanism of interfacial banding on the mechanical behavior of artificial ligament, reveal the degradation and etching mechanisms of Mg-based metallic glass in simulated body fluid, and finally clarify the antibacterial activity of Mg-based thin film metallic glass, as well as its effect on the bioactivity and mechanical property of artificial ligament both in vitro and in vivo. The implementation of this project will provide a solid foundation for improving the clinical effect of artificial ligament and promoting the medical application of metallic glass.

非晶合金的生物医学应用是当前非晶领域的研究热点和难点之一。既往文献已经证实非晶合金在特定模拟人体环境下具有较好的耐腐蚀性能与生物相容性，但受困于临界尺寸小等不足，非晶合金的医学应用始终无法取得突破。为此，本项目提出了利用非晶合金的特殊性能对现有生物材料进行改性的新思路。人工韧带是治疗膝关节交叉韧带损伤的新手段，但其原材料缺乏抗菌性和生物活性，又无法耐受常规改性方式的高温加工环境，因而严重影响其应用发展。据此，本项目以镁基非晶合金为研究对象，通过磁控溅射方法沉积薄膜于人工韧带表面，实现人工韧带的表面改性。进而探索人工韧带表面沉积镁基非晶合金薄膜工艺和界面结合机制对力学性能的影响；揭示镁基非晶合金薄膜在模拟人体环境下的腐蚀降解机理；最终阐明镁基非晶合金薄膜的体内、外抗菌性能以及对人工韧带植入后的生物活性和力学性能的影响规律，从而为提高人工韧带的临床疗效以及促进非晶合金的医用转化奠定理论基础。

Mg-Zn-Ca非晶合金(MG)具有低腐蚀速率和均匀腐蚀的特性，因此在生物医学应用中受到广泛关注。然而，Mg-Zn-Ca-MG的临界尺寸仅为几毫米，这限制了其在临床中的实际应用。基于此，本研究采用磁控溅射技术制备非晶态Mg65Zn30Ca5非晶合金薄膜(TFMG)，对人工韧带(PET)材料进行表面改性，讨论其生物相容性以及用作生物惰性材料表面改性涂层的可行性。.通过XRD、SEM和EDS分析，揭示了所制的合金薄膜材料具有非晶态结构。应用电子探针对薄膜截面进行观测，发现平行于靶面方向和垂于靶面方向的薄膜沉积速率分别为3 µm/h、1.7 µm/h。使用拉拔测量法，发现涂层结合力高达~ 559.2 N/cm2。通过测量水接触角，揭示Mg-Zn-Ca-TFMG可提高基底亲水性。析氢实验发现Mg-Zn-Ca-TFMG在模拟体液中的氢气释放体积随时间先急剧增加，后逐渐趋于稳定。通过XRD、SEM (能谱)和拉曼光谱测试，对浸泡腐蚀后的非晶薄膜进行结构、成分和表面基团进行研究，讨论了Mg-Zn-Ca-TFMG在模拟体液中腐蚀过程伴随富Zn相的产生和磷酸盐的沉淀。.通过熔体旋淬工艺将Mg-Zn-Ca靶材制成非晶合金条带，并利用电化学测试研究了非晶合金的腐蚀行为，揭示了此成分的非晶合金具有优于高纯镁的耐腐蚀性能。通过CCK-8、活死细胞染色以及流式细胞分析三种方法，发现Mg-Zn-Ca-MG能够提高成骨细胞的活力并降低细胞凋亡。.在PET表面分别溅射0.5、1和2小时，以获得不同厚度的Mg-Zn-Ca-TFMG，并对大鼠进行膝关节前交叉韧带重建实验。术后进行血常规、血生化和血液ICP检测，揭示了不同厚度的Mg-Zn-Ca-TFMG都具有良好的血液相容性。通过大鼠的肝肾组织切片、micro-CT、MRI以及步态分析，发现溅射2 h的Mg-Zn-Ca-TFMG能够显著提高人工韧带的骨整合效果。.上述研究的展开，不仅表明了磁控溅射制备Mg-Zn-Ca-TFMG的应用可行性，更近一步探索了Mg-Zn-Ca-TFMG在生理溶液中的腐蚀行为，深刻认识了金属的溶解顺序和Mg/Ca磷酸盐沉淀对非晶薄膜生物相容性的影响。从耐腐蚀性、细胞相容性、血液相容性与组织相容性多方面综合讨论了非晶态Mg-Zn-Ca的生物相容性，为其用作生物惰性材料表面改性涂层提供体内外实验依据。