镁合金由于密度和弹性模量与人骨接近，且降解无毒，在可降解骨植入材料领域引起了人们极大的兴趣。然而，镁在人体体液环境中降解过快，并会产生不利影响，如强度降低、氢气大量析出和体液局部碱化。为此，人们尝试了多种方法制备保护涂层来提高镁合金的耐蚀能力。此外，为了避免植入手术后可能引起的细菌感染问题，为医用镁合金构建抗菌表面显得尤为重要。但大多数常见的抗菌涂层依赖于抗生素等药物，容易导致耐药性问题。因此，制备一种新型功能性复合涂层以提高镁合金的耐蚀性、抗菌性和生物相容性很有必要。

最近，山东科技大学曾荣昌教授课题组采用层层组装（LbL）方法，在NaOH预处理的AZ31表面制备了壳聚糖（CHI）/脱氧核糖核酸（DNA）多层膜(CHI/DNA)₅/Mg(OH)₂。研究结果表明，制备涂层后，试样的自腐蚀电流密度下降了约2个数量级，CHI的接触杀菌策略使涂层具有良好的抗菌活性；此外，DNA和CHI良好的生物矿化效应弥补了外层聚电解质多层膜厚度较薄的缺点，对骨生长具有明显促进作用，为推动镁合金在骨植入领域的应用提供新的途径。

系统研究了所制备(CHI/DNA)5/Mg(OH)2复合涂层的微观结构和表面形貌。该涂层的制备过程如图1所示，将AZ31镁合金首先置于NaOH溶液中水热处理形成Mg(OH)₂涂层，接着在聚乙烯亚胺（PEI）溶液中浸泡，最后在DNA和CHI溶液中交替浸泡循环5次得到(CHI/DNA)5/Mg(OH)₂复合涂层。复合涂层的表面形貌如图1a~h所示，(CHI/DNA)5多层膜表面存在较多微裂纹（图1c和d），Mg(OH)₂涂层表面形成了不均匀的六方晶体结构（图1e和f）。与Mg(OH)₂涂层相比，(CHI/DNA)₅/Mg(OH)₂复合涂层（图1g和h）更加致密。这是因为内层Mg(OH)₂有利于(CHI/DNA)₅多层膜的沉积。截面形貌表明，复合涂层总厚度约为18 μm。XRD分析表明，除α-Mg外，复合涂层的主要成分为Mg(OH)₂。此外，XPS P_2p和N_1s谱证实了复合涂层中存在DNA和CHI。

图1 (CHI/DNA)₅/Mg(OH)₂复合涂层的制备示意图与(a和b)AZ31基体、(c和d)(CHI/DNA)₅涂层、(e和f)Mg(OH)₂涂层、(g和h)复合涂层的SEM表面形貌

重点研究了所制备(CHI/DNA)₅/Mg(OH)₂复合涂层的耐蚀性和腐蚀形貌，结果如图2所示。极化曲线测试结果表明，复合涂层的腐蚀电位高于基体，且自腐蚀电流密度比基体降低了约两个数量级。在人体模拟体液（SBF）中浸泡析氢432 h后，复合涂层的析氢体积（HEV）和析氢速率（HER）均比其余三组低，这是由于Mg(OH)₂和聚电解质涂层的双重保护作用所致。复合涂层浸泡不同时间的SEM图像如图2a~h所示。浸泡24 h后，涂层表面出现了腐蚀产物和微裂纹，随着浸泡时间延长，腐蚀产物和微裂纹不断积累和扩大；浸泡96 h内，涂层表面Ca、P元素含量和Ca/P比均持续升高（图2i和j），随后保持相对稳定，这归因于Ca²⁺和PO₄^3-在涂层表面的吸附、Ca-P沉淀的形成与溶解之间达到了动态平衡。FT-IR和XRD结果表明，腐蚀沉淀物主要为缺钙羟基磷灰石（HA），由外层(CHI/DNA)₅多层膜的类生物矿化效应引起（图2k和l）。

图2 基体和涂层样品在SBF中的动电位极化曲线、HEV和HER曲线。图(a~h)分别为(CHI/DNA)₅/Mg(OH)₂涂层在SBF中浸泡(a) 6 h、(b) 12 h、(c) 24 h、(d) 48 h、(e) 72 h、(f) 96 h、(g) 120 h和(h) 432 h后的SEM图像；图(i~l)分别为相应的EDS、Ca/P摩尔比、FT-IR和XRD谱图

本研究还探索了(CHI/DNA)₅/Mg(OH)₂复合涂层的抗菌活性和细胞相容性。研究证实，复合涂层对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均有良好的杀菌效果。这由CHI的接触杀菌机制导致，CHI可与带负电荷的细菌细胞相互作用并造成细菌死亡。前成骨细胞在样品提取液中培养1、3和5天后的OD值和细胞存活率表明，MC3T3-E1细胞在复合涂层100%提取液中的存活率达到90%以上；提取液逐步稀释后，细胞存活率提高到100%以上，表明(CHI/DNA)₅/Mg(OH)₂涂层具有促进骨生长的积极作用，作为骨植入材料有较大应用潜力。

图3 不同样品对金黄色葡萄球菌（上）和大肠杆菌（下）的抗菌性能：(I)空白样品、(II) AZ31、(III) Mg(OH)₂和(IV) (CHI/DNA)₅/Mg(OH)₂涂层以及不同样品提取液培养MC3T3-E1细胞1、3和5天后的OD值和细胞活性

综上所述，本研究利用LbL方法在AZ31表面制备了(CHI/DNA)₅/Mg(OH)₂涂层，该涂层对镁合金具有双重防护作用：一方面，Mg(OH)₂作为物理屏障可以防止腐蚀性离子的渗透；另一方面，(CHI/DNA)₅能够诱导形成HA腐蚀产物膜长期保护基体。由于CHI的抗菌活性，涂层具有显著的抗菌效果。此外，DNA和CHI良好的生物矿化效应弥补了外层聚电解质多层膜厚度较薄的缺点，对促进骨的生长具有积极作用。该涂层为可降解镁合金骨植入材料表面改性提供了新的途径。

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2021年第9卷第1期：

[1] Lanyue Cui, Ling Gao, Jingchao Zhang, Zhe Tang, Xiaoli Fan, Jiacheng Liu, Dongchu Chen, Rongchang Zeng*, Keqian Zhi*. In vitro corrosion resistance, antibacterial activity and cytocompatibility of a layer-by-layer assembled DNA coating on magnesium alloy[J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2021, 9(1):266-280.

中文摘要

本文以Mg(OH)₂作为AZ31镁合金的内部保护层，采用层层组装（LBL）浸涂法制备了壳聚糖/脱氧核糖核酸(CHI/DNA)₅复合涂层。采用X射线衍射仪、X射线光电子能谱、傅里叶变换红外光谱和场发射扫描电子显微镜分析了涂层的化学成分和表面形貌。电化学和析氢测试结果表明，复合涂层在模拟体液中具有良好的耐蚀性。采用平板计数法检测了复合涂层的抗菌活性，通过MTT法和活/死细胞染色评估了复合涂层的细胞毒性。结果表明，复合涂层具有双重作用，内层Mg(OH)₂具有物理屏障的效果，外层(CHI/DNA)₅在浸泡过程中能够诱导形成Ca-P腐蚀产物层，该产物层具有生物相容性，并能弥补外层厚度较薄的缺点。此外，由于外层聚电解质多层膜的生物矿化效应，复合涂层还有利于骨的生长。CHI接触杀菌的优点使(CHI/DNA)₅/Mg(OH)₂涂层还具有良好的抗菌性能。因此，(CHI/DNA)₅/Mg(OH)₂涂层在镁基骨植入领域具有潜在的应用前景。