基于等离子体技术的可降解镁基金属表面梯度膜的构建及其抗菌行为研究

Magnesium-based metal, as a new biodegradable metallic material, causes more and more attention in the field of biomedical materials. However, the patients’ suffering brought by the rapid degradation under physiological conditions and implant infections severely limits its widespread application in the clinic. In this project, plasma immersion ion implantation technique is used to design and build a gradient antimicrobial film with good corrosion resistance on magnesium-based metal surface. Previous studies have shown that Zr-O ion implantation has positive impact on improving the antibacterial properties of binary magnesium alloys. In order to reveal antibacterial mechanism of surface gradient film formed by ion implantation, pure magnesium and ternary Mg-Zn-Zr alloy are used as the matrix material in this project. We will systematically research that the preparation of the surface gradient membrane by Zr-O ion implantation and impact of its structure and composition on the degradation rate of magnesium-based metal, the impact of the structural changes of the gradient film and the formed micro-environment on bacterial adhesion and viability during the process of degradation, and the in vivo degradation and antimicrobial behavior of magnesium-based metal by using rat models. The degradation rule of plasma-treated magnesium-based metal and its inhibition mechanism of bacterial infections will be understood and mastered by our study. A scientific basis will be provided in the research and development of biodegradable magnesium-based metal with anti-bacterial infections.

镁基金属作为一种新型的可降解医用金属材料，越来越多地引起生物医用材料领域的广泛关注。然而生理条件下的快速降解和由于植入感染带给病人的痛苦，严重限制了其在临床上的广泛应用。本项目提出采用等离子浸没离子注入技术在镁基金属表面设计构建具有良好耐蚀性的表面梯度抗菌膜。前期研究已经证实通过Zr-O等离子注入可以有效提高二元镁合金的耐蚀性和抗菌性能。为了揭示等离子注入镁基金属表面梯度膜的抗菌机理，本课题以纯镁和三元Mg-Zn-Zr合金为基体材料，系统地研究Zr-O等离子注入表面梯度膜的构建，膜结构组成对镁基金属降解速率的影响，以及降解过程中表面梯度膜的结构变化和营造的表面微环境对细菌粘附和活力的影响，并运用大鼠模型追踪改性镁基金属在体内的降解规律和抗菌行为。通过本项目的研究，理解并掌握等离子处理镁基金属的腐蚀降解规律和抑制细菌感染的作用机制，为研究和发展抗细菌感染生物可降解镁基金属材料提供科学依据。

镁基金属作为一种新型的可降解医用金属材料，越来越多地引起生物医用材料领域的广泛关注。然而生理条件下的快速降解和植入过程引发的细菌感染，严重限制了其在临床上的应用。本项目以ZK60镁合金为研究对象，利用等离子体浸没离子注入技术对其进行表面改性，探索了等离子注入镁基金属的耐蚀性能和抗菌性能。通过电化学实验研究不同注入参数对ZK60镁合金的降解速度影响，确定最佳的等离子处理参数为Zr PIII（0.5h），O PIII（3h），即该条件下镁合金在模拟生理环境下的耐蚀性能最好。对最佳离子注入参数的样品进行XPS元素价态和深度分布分析，表面接触角测量，AFM和粗糙度分析，表面硬度和弹性模量测试等一系列表征，结果表明通过离子注入改性，在镁合金表面构建了一层表面光滑、疏水和含有氧化锆的梯度膜层，且等离子改性提高了镁合金的表面硬度和弹性模量。此外，研究了离子注入对ZK60镁合金体外降解性能的影响，电化学研究表明离子注入改性之后镁合金的阻抗谱容抗弧增大，自腐蚀电流密度减小。 同样ICP-MS结果表明Zr&O PIII样品溶出Mg2+量最少，表明离子注入有效地提高了材料的表面耐蚀性。体外抗菌实验表明离子注入抑制了金黄色葡萄球菌在镁合金表面的粘附，有效地提高了镁合金的抗菌性能。提高的抗菌性能源于光滑的具有疏水性能的抗菌ZrO2薄膜的形成。体内抗菌实验（HE染色、革兰氏染色及平板计数法）表明Zr&O PIII样品组的炎症反应程度和细菌群落量均小于未处理样品组，因此离子注入有效地提高了镁合金的体内抗菌性能。同时体内降解实验表明未处理样品组相较于Zr&O PIII样品组表面形成较多的腐蚀产物，腐蚀产物主要由Mg(OH)2和(Mg,Ca)2(PO4)3组成，因此通过等离子改性镁基金属的体内耐蚀性也得到了有效提高。通过本项目的研究，理解并掌握了等离子处理镁基金属的腐蚀降解规律和抑制细菌感染的作用机制，为研究和发展抗细菌感染生物可降解镁基金属材料提供了科学依据。