摘要：本文涉及镁合金AZ31表面原位制备Mg-Al-Ga-LDH/MAO复合涂层的体外降解和生物相容性。采用低温水浴法在微弧氧化镁合金AZ31表面制备了一种新型的抗菌Mg-Al-Ga层状双氢氧化物（LDH）涂层。研究了复合涂层的形态、组成和微观结构。具有纳米片结构的Mg-Al-Ga-LDH涂层覆盖了多孔MAO涂层。该涂层具有优异的耐腐蚀性能，并且由于Ga³⁺的成功负载，涂层表现出良好的生物相容性和抗菌性能。

 一、MAO/Mg-Al-Ga-LDH涂层制备

如图1，应用由HNMAO-20A-DPM400电源和配备有不锈钢板的PMMA制造的电解池组成的MAO装置来制备MAO涂层。将浓度分别为0.03M的NaOH和EDTA-2Na溶解在去离子水中，加入0.05M Ga(NO₃)₃·9H₂O。最后，将MAO涂层的AZ31样品置于60℃的上述溶液混合物中。即得MAO/Mg-Al-Ga-LDH。

图1 MAO/Mg-Al-Ga-LDH涂层制备流程机理图

图2示出了MAO和MAO/Mg-Al-Ga-LDH涂层的表面形态图像。如图2a和b所示，在MAO涂层表面观察到具有微裂纹的典型多孔形态。此外，从图2c和d中，MAO涂层表面的微孔和微裂纹消失，而MAO涂层的表面完全被玫瑰花状纳米片覆盖。对于MAO/Mg-Al-Ga-LDH涂层，元素P含量的降低表明MAO涂层被覆盖。此外，元素Al和Ga的存在意味着AZ31衬底中的元素Al和溶液中的元素Ga参与了LDH涂层的形成。然而，Mg/Al原子比约为9.92:1，远大于3:1，其中M(OH)₂中的一些Mg²⁺离子由于引入Ga³⁺离子而被Ga³⁺取代。结果表明，Ga³⁺离子成功地掺杂到顶层。

图2 (a, b) MAO和(c, d) MAO/Mg-Al-Ga-LDH涂层的SEM图像

   图3中XRD在2θ=10.95°处对应于LDH的衍射峰（003）和22.09°处的（006）在图4c中观察到，也证明了Mg-Al-Ga-LDH的成功制备。

图3 (a) AZ31, (b) MAO和(c) MAO/Mg-Al-Ga-LDH涂层的XRD.

图4 (a) MAO/Mg-Al-Ga-LDH涂层的XPS图谱和(b) C 1s, (c) N 1s, (d) Al 1s, (e) Ga 3/2p和(f) Mg 1s 峰的高分辨图谱

图4XPS显示Al2p的光谱由Al（OH）₃（74.0eV）和Mg-Al-LDH（74.55eV）基团组成。Ga3/2p的峰分为两个峰，分别对应于Ga₂O₃（1117.5 eV）和Mg-Ga-LDH（1118 eV）基团。这表明Ga³⁺成功地引入到复合涂层中，并以氧化物和LDH的形式存在于LDH中。

二、MAO/Mg-Al-Ga-LDH涂层耐蚀性能

电化学阻抗测试，极化曲线测试被用于测试样品的电化学性能。对于阻抗测试来说，低频区（0.01Hz）的阻抗模量|Z|越大，代表相应样品的耐蚀性越好。如图4所示，MAO/Mg-Al-Ga-LDH涂层的|Z|达到3.34 × 10⁵ Ω·cm²，远高于AZ31和MAO样品。极化曲线测试（图5左）中也可以看出MAO/Mg-Al-Ga-LDH涂层显著降低了合金的腐蚀电流密度。析氢测试（图5右）同样证明，涂层显著降低了合金的析氢速率。可以看出，涂层明显提高了合金耐蚀性。

图5(Ⅰ) bare AZ31, (Ⅱ) MAO coating和(Ⅲ) MAO/Mg-Al-Ga-LDH在Hank’s溶液中的EIS和等效电路图

图6(Ⅰ) bare AZ31, (Ⅱ) MAO coating和(Ⅲ) MAO/Mg-Al-Ga-LDH在Hank’s溶液中的极化曲线（左）及析氢速率曲线（右）。

在Hank's溶液中浸泡168h时，三种样品均发生了部分开裂现象，然而由于复合涂层的多重保护作用，MAO/Mg-Al-Ga-LDH涂层开裂现象最轻。这也侧面反映了复合涂层可以很好的保护基体，延缓局部腐蚀发生。

图7(a) AZ31, (b) MAO和(c) MAO/Mg-Al-Ga-LDH涂层在Hank's溶液中浸泡168h时的宏观和扫描形貌。

三、MAO/Mg-Al-Ga-LDH涂层抗菌性能和细胞相容性

    平板计数法（图8）被用于评估复合涂层的抗菌性能。细菌与浸渍提取液共培养1、3、5h时，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑制率分别达到99.8%、97.2%、76.6%和95.4%、82.4%、93.7%。用CCK-8试剂对复合涂层对大鼠脊髓间充质干细胞（SDBMSCs）的存活率的影响进行研究（图8）。相对于空白对照组，MAO/Mg-Al-Ga-LDH涂层上生长三天的细胞数量为116%。证明了复合涂层优异的生物相容性。

图8（a）不同样品和不同共培养时间对大肠杆菌的菌落：对照（1，3，5h）、MAO/Mg-Al-LDH涂层（1，3,5h）和MAO/Mg-Al-Ga-LDH涂层（1,3,5h）；（b）抑菌率分析（n=3，平均值±SD，p^*<0.05，p^**<0.01，p^***<0.001，p^*****<0.0001）；（c） pH值分析。

图9（a） SDBMSC细胞活力和（b）24小时时不同样品的活、死、活和死测定的代表性荧光显微镜图像。（^**p<0.01，^***p<0.001）。

四、涂层合成及降解机理

一般来说，任何二价阳离子都可以代替水镁石状层中的Mg²⁺。同样，任何三价阳离子都可以代替水镁石层中的Al³⁺。Ga³⁺在MAO/Mg-Al-Ga-LDH的形成中有两个主要去向：少量Ga³⁺吸附在MAO表面形成Ga(OH)₃，这是Ga₂O₃的来源；在CO₃^2-存在的情况下，形成Mg(OH)₂的一些Mg²⁺被Ga³⁺取代以形成Ga(OH₃)₃，并参与LDH的形成。

  为了验证不同阳离子掺杂LDH制备技术的广泛适用性，我们试图通过使用与制备Mg-Al-Ga-LDH相同的反应条件，将二价离子，甚至一价离子掺杂到涂层中。在此，将Fe³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺和Ag⁺的浓度控制在0.05M，并在EDTA的促进下于60℃反应48小时。如图9，Fe³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺和Ag⁺成功引入并参与到表面水滑石的形成中。

图10 浸渍在（a）0.05M Ga³⁺、（b）0.05M Fe³⁺、（c）0.05M Ag⁺、（d）0.05M Cu²⁺和（e）0.05M Zn²⁺的不同溶液中的MAO涂覆的裸AZ31的SEM图像（a-e）和元素含量（f）。

    综上所述，开发了一种EDTA辅助的绿色工艺，用于在MAO涂层的镁合金表面LDH掺杂Ga³⁺。

   1）MAO表面被玫瑰花结状纳米片结构完全覆盖和密封。成功地将金属阳离子引入到Mg-Al-LDH涂层中。以Ga³⁺掺杂的Mg-Al-LDH为例，Ga³⁺的离子半径大于Al³⁺的离子直径，导致Mg-Al-LLDH的衍射角向左移动。

   2）电化学和析氢试验表明，MAO/Mg-Al-Ga-LDH涂层具有优异的耐腐蚀性能。LDH的阴离子交换能力进一步提高了复合涂层的耐腐蚀性，LDH的片状结构更有利于Ca-P产物的沉积。

   3）MAO/Mg-Al-Ga-LDH复合涂层对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有明显的抗菌性能，尤其是在细菌培养的早期。金属离子掺杂LDH生长技术具有广泛的应用性和可扩展性，并提出了MAO/Mg-Al-Ga-LDH复合涂层的降解机理。

   4）在MAO/Mg-Al-Ga-LDH涂层上共培养的SDBMSC细胞显示出均匀的分布和健康的形状，细胞活力达到116%，表明涂层在促进细胞生长方面是有前景的。

   这些发现可能为金属阳离子掺杂LDH涂层的开发提供新的途径。

   论文“In vitro degradation and biocompatibility of in-situ fabricated Mg-Al-Ga-LDH/MAO hybrid coating on Mg alloy AZ31”发表在《Surface and Coatings Technology》(472, 2023, 129922)。第一作者为山东科技大学硕士研究生焦佐军。澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT University）陈晓博，青岛大学医学院西永明教授、山东科技大学曾荣昌教授为共同通讯作者。