镁基生物材料表面纳米结构改性的挑战与前景

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镁基生物材料表面纳米结构改性的挑战与前景（DOI: 10.1016/j.jma.2025.06.018）

镁及其合金因其良好的生物相容性、适宜的力学性能以及可在体内降解的特性，被认为是新一代可降解植入材料的理想选择。相比传统金属植入物，镁合金在完成功能后可在体内自然降解，避免了二次手术取出的风险。然而，镁在生理环境中腐蚀速度过快，严重限制了其在临床中的广泛应用。
表面改性：突破降解瓶颈的关键路径
镁的高化学活性使其在人体内难以形成稳定的保护层，导致腐蚀速率不可控。为此，表面改性技术成为提升镁合金性能的核心策略。通过构建纳米结构的表面涂层，不仅可以有效提高镁合金的耐腐蚀性能，还能赋予其多种生物功能，如促进骨整合、抗菌、抗肿瘤、药物控释等。
目前，常用的纳米涂层技术包括阳极氧化、等离子体电解氧化（PEO）、溶胶-凝胶法、电沉积、磁控溅射、电纺丝和水热法等。这些技术能够在镁合金表面构建纳米管、纳米纤维或多孔结构，从而增强其屏障性能，阻止腐蚀介质的渗透。
功能化涂层：从“被动保护”到“主动响应”
随着材料科学的发展，镁基植入材料的表面涂层正从传统的被动保护型向智能响应型转变。现代研究聚焦于开发具有多重功能的纳米涂层，以满足不同临床需求。例如：

• 成骨功能：通过释放钙、磷等离子促进骨组织再生；
• 抗菌性能：负载银、锌等抗菌离子，防止术后感染；
• 药物控释：实现局部药物缓释，提升治疗效果；
• 智能响应：对pH、酶、温度等生理信号作出响应，动态调节涂层性能。
  

这些功能使镁合金植入材料不仅能“存在”于体内，更能“参与”组织修复过程，真正实现材料与生物体的协同作用。
临床转化面临的挑战
尽管实验室研究取得诸多进展，但镁基纳米涂层的临床转化仍面临多重挑战：

• 界面结合力不足：涂层与镁基体之间的结合强度低，易脱落；
• 涂层致密性缺陷：存在微孔、裂纹等缺陷，降低防护效果；
• 动态服役环境下的失效：在人体运动、血流等复杂环境中，涂层易发生疲劳破坏；
• 长期稳定性不明：缺乏对涂层在体内长期行为的系统研究。
  

此外，个性化医疗的需求也对涂层设计提出更高要求。如何在不同患者、不同植入部位实现降解速率与组织修复节奏的精准匹配，是未来研究的重点方向。
纳米结构设计的未来方向
未来的镁基涂层将朝着智能化、个性化、多功能化方向发展。关键趋势包括：

• 可控降解：构建能实时感知环境变化并自主调节防护性能的涂层；
• 多级结构：设计具有梯度、层级、形貌特异性的涂层，以适应不同植入场景；
• 多物理耦合机制：研究涂层在力-电-化学多场耦合作用下的响应机制；
• 人工智能与材料基因组工程：借助AI与高通量实验方法，加速涂层材料的筛选与优化。
  

同时，推动产业化还需解决批量制造、绿色生产、标准化评估和临床数据积累等问题。
结语
镁基生物材料的表面纳米结构改性，不仅是材料科学的前沿课题，更是推动可降解植入器械临床应用的关键突破口。通过构建智能、多功能、响应性的涂层系统，有望实现从“材料植入”到“组织再生”的跨越，开启个性化医疗的新时代。未来的研究应加强基础理论与工程技术的融合，推动实验室成果走向临床，真正实现“中国根，全球影响”的科技愿景。