摘要：镁合金因其良好的生物相容性和可降解性，被认为是极具潜力的生物医用材料。然而，其在生理环境中的快速腐蚀问题一直是限制其广泛应用的瓶颈。大连大学的研究团队通过巧妙的表面改性技术，为镁合金披上了一层“防护衣”——PDA/HA复合涂层，显著提升了其耐腐蚀性能。这一成果
导读
镁合金因其良好的生物相容性和可降解性，被认为是极具潜力的生物医用材料。然而，其在生理环境中的快速腐蚀问题一直是限制其广泛应用的瓶颈。大连大学的研究团队通过巧妙的表面改性技术，为镁合金披上了一层“防护衣”——PDA/HA复合涂层，显著提升了其耐腐蚀性能。这一成果不仅为生物医用镁合金的开发提供了新思路，也为相关材料的应用开辟了更广阔的空间。
镁合金作为一种新型的可降解生物金属材料，因其良好的力学性能、生物相容性以及生物降解性，被视为极具潜力的生物医用材料。它不仅能承受正常的生理负荷，还能在骨生长和修复过程中发挥促进作用。然而，镁合金在生理环境中腐蚀速率较快，容易引发组织炎症等问题，限制了其在生物医用领域的广泛应用。为了解决这一问题，研究者们尝试了多种表面改性技术。其中，羟基磷灰石（HA）涂层因其良好的生物相容性和生物活性，被广泛用于改善镁合金的耐腐蚀性。但单纯的HA涂层存在致密度不高、与基体黏附强度不足等问题。聚多巴胺（PDA）作为一种生物神经递质，能够在金属表面形成一层牢固的黏附层，且具有优异的生物相容性。基于此，大连大学的研究团队采用水热法和水浴加热法相结合的方式，在镁合金表面构建了PDA/HA复合涂层，以期进一步提升其耐腐蚀性能。
【文章来源及内容】
本文由大连大学机械工程学院的于迎雪和张倩倩共同完成。文章题为《生物医用MgZn合金表面PDA/HA复合涂层制备及性能》，发表于《特种铸造及有色合金》2025年第45卷第2期。研究采用水热法在Mg-2Zn-0.5Nd-1Y-0.5Zr镁合金表面制备羟基磷灰石涂层（HA），并利用水浴加热法在其表面进一步制备聚多巴胺（PDA）/HA复合涂层。通过浸泡试验和电化学测试，研究了涂层的耐腐蚀性能，并分析了其微观组织结构。
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【研究亮点】
大连大学的研究团队成功在生物医用镁合金表面制备了PDA/HA复合涂层。这种涂层不仅结构致密、均匀，而且显著提升了镁合金的耐腐蚀性能。与单一HA涂层相比，PDA/HA复合涂层的腐蚀电流密度大幅降低，腐蚀电位更正，表现出更优异的耐腐蚀性。特别是在100℃、4小时的水热处理条件下制备的PDA/HA复合涂层，其综合性能最佳，腐蚀电压为0.06382伏特，腐蚀电流密度仅为8.166×10⁻⁷安培/平方厘米。
【研究方法】
研究团队选用自制的Mg-2Zn-0.5Nd-1Y-0.5Zr稀土镁合金作为基体材料，通过逐级打磨、抛光、碱处理等步骤对试样表面进行预处理。随后，采用水浴加热法在镁合金表面制备聚多巴胺（PDA）涂层，并在此基础上通过水热法进一步制备羟基磷灰石（HA）涂层，形成PDA/HA复合涂层。通过浸泡试验、电化学测试、扫描电镜等手段，对涂层的耐腐蚀性能和微观组织结构进行了全面分析。
【全文解读】
1微观组织分析
铸态Mg-2Zn-0.5Nd-1Y-0.5Zr合金呈现规则的等轴晶组织，晶界处析出不连续分布的第二相。在晶界最后凝固部位可见少量明显的层片状共晶组织，其余为离异共晶相，大多在晶界上呈不连续分布。
图1铸态Mg-2Zn-0.5Nd-1Y-0.5Zr合金的微观组织
Zn、Y和Nd元素主要分布于晶界处的析出相中，Zr元素主要分布于点状相中。
镁合金经涂覆处理后涂层的表面较稀松，涂层间存在较大的空隙，表明此时涂层并未与试样紧密结合，甚至基体镁合金有可能直接暴露在空气中。有研究表明，镁合金在水热处理后，HA涂层镁合金表面呈现片状，且较为稀松，片间不紧密连接，有大孔隙出现。从图3b可以看出，该复合涂层显示出完整致密的结构。图4为PDA/HA复合涂层的SEM组织，表面为均匀的交叉密布的细小片状结构。在碱性条件下多巴胺的自聚合反应可以在镁合金表面形成较薄的黏附层，对后续PDA/HA复合涂层的制备起到了诱导作用。
图2铸态Mg-2Zn-0.5Nd-1Y-0.5Zr合金的扫描照片及相应的能谱分析图
图3涂层显微组织
图4PDA/HA复合涂层的SEM显微组织
2电化学测试
PDA/HA复合涂层的腐蚀电位更高。从腐蚀电位来看，含有PDA诱导后的HA涂层的稀土镁合金具有更正的Ecorr，这表明其腐蚀热力学倾向更小，更难发生腐蚀，即PDA/HA复合涂层可以提高镁合金的耐腐蚀性。只有羟基磷灰石涂层试样的腐蚀电位为-0.048 81 V，PDA诱导后的HA涂层的试样的Ecorr被提高到了0.015 53~0.070 17 V。就复合涂层来说，水热处理为100 ℃、4 h和100 ℃、8 h条件下的试样具有更正的腐蚀电位，为0.063 82 V和0.070 17 V。
图5动电位极化曲线
从腐蚀电流来看，PDA/HA复合涂层试样的腐蚀电流相较HA单涂层材料大幅度下降。腐蚀电流代表着失电子能力，电流越大，腐蚀速度越快。由表2可知单HA涂层试样的Jcorr为9.824×10-6 A/cm2，而复合涂层试样的Jcorr均小于单涂层的腐蚀电流。其中，水热条件为100 ℃、4 h的复合涂层试样腐蚀电流为8.166×10-7 A/cm2，减小了一个数量级，再次证明了PDA/HA复合涂层比HA单涂层的耐蚀性更高。
3浸泡试验结果
镁合金在模拟体液中浸泡一段时间后，会有腐蚀产物聚集在镁合金表面。对表面进行清洗之后，会存在质量损失，从质量损失的大小可以推算出合金的腐蚀性能。
图6不同镁合金的腐蚀速率
随着浸泡时间增加，所有试样的失重速率呈现出相似的变化趋势，达到一定时间后，腐蚀速率趋于稳定。PDA/HA复合涂层的腐蚀速率变化较平缓，而单一HA涂层的初始腐蚀速率远大于稳定后的腐蚀速率，说明单一HA涂层的保护效果较差，初始即产生大量的腐蚀。在腐蚀的初始阶段，HA能够与模拟体液中的钙离子结合形成钙磷盐沉积层，增强涂层的稳定性和生物相容性。但由图3a可知，单一HA涂层没有形成完整的膜层，在形成完整的沉积层之前，腐蚀液将沿着膜层的缝隙渗入基体，引起基体材料的快速腐蚀。PDA/HA复合涂层的结构致密，首先在表面形成沉积层，提高试样的耐腐蚀性。复合涂层在一定程度上提供了保护层，减缓或抑制腐蚀过程。然而，随着时间推移，模拟体液中的离子和溶质与涂层相互作用，导致涂层被破坏。随着涂层失效，模拟体液中的离子和溶质通过涂层缺陷或孔隙进入涂层下方的基体镁合金，导致涂层与基体之间的界面受到腐蚀，导致涂层失去保护功能，加速基体镁合金的腐蚀。涂层和基体材料局部溶解，溶解产物被带走，使涂层表面出现空洞或凹陷，导致试样的质量减少。图7为浸泡72 h后的腐蚀形貌。通过图7a可见，表面涂层的连续性被破坏，出现了局部腐蚀。从图7b可以看出，腐蚀沿大的团簇周围展开，在团簇之间为层片状覆盖相对较稀疏部位，随着溶质沿孔隙不断深入，因此开始发生破坏。随着浸泡时间延长，腐蚀产物会在表面积累，形成一层暂时的保护层，从而减缓腐蚀的进一步加剧。因此，腐蚀速率会逐渐变得稳定。由图6可知，单一HA涂层的腐蚀速率最高，100 ℃、4 h处理的PDA/HA腐蚀涂层的腐蚀速率最低。从整个浸泡质量损失试验可以发现，PDA/HA复合涂层在浸泡于模拟体液过程中相较于HA单涂层，对基体起到了更好的保护作用。
图7模拟体液中浸泡72 h后的腐蚀形貌
对浸泡不同时间后的腐蚀液进行pH值测量，其变化曲线见图8。可以看出，各组试样的pH值均有所上升，单一HA涂层试样的pH值变化高于PDA/HA复合涂层的试样，且即使制备条件不同，但经过72 h的模拟体液浸泡后，溶液的pH值均趋于稳定。pH值的升高是由于腐蚀液与镁合金基体发生反应，生成了碱性的Mg（OH）2，其中单一HA涂层镁合金发生了最为严重的腐蚀，而PDA/HA复合涂层发生的腐蚀较轻微，腐蚀产物少，所以pH比单一涂层的试样低。
图8腐蚀溶液的pH值变化图
【主要结论】
本研究成功在Mg-2Zn-0.5Nd-1Y-0.5Zr镁合金表面制备了PDA/HA复合涂层。与单一HA涂层相比，PDA/HA复合涂层具有更完整致密的结构，显著提升了镁合金的耐腐蚀性能。特别是在100℃、4小时水热处理条件下制备的复合涂层，其耐腐蚀性能最佳，腐蚀电压为0.06382伏特，腐蚀电流密度仅为8.166×10⁻⁷安培/平方厘米。这一成果为生物医用镁合金的表面改性提供了新的思路和方法。
【引用格式】
中文引用格式：于迎雪，张倩倩. 生物医用MgZn合金表面PDA/HA复合涂层制备及性能［J］. 特种铸造及有色合金，2025，45（2）：252-256.
英文引用格式：YU Y X，ZHANG Q Q. Preparation and properties of PDA/HA composite coatings on biomedical MgZn alloy［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys，2025，45（2）：252-256.
扩展阅读：欢迎登陆www.special-cast.com，阅读、下载、引用《特种铸造及有色合金》期刊上发表的论文。
来源：特铸杂志