人口老龄化是全球面临的重要社会问题之一。随着老龄化趋势的加剧，临床上对骨科植入物的需求增大，推动了植入器械的创新发展 ^{[ 1 ]}。镁金属作为一种新兴的可生物降解材料，凭借其良好的生物相容性、优异的机械性能和机体可吸收性被认为是一种具有发展前景的骨科植入材料。作为骨科植入物的备选材料，镁金属能起到调节成骨分化、促进分离段骨质矿化的作用 ^{[ 2 , 3 , 4 ]}。已有研究证明镁离子的补充能够有效促进骨质沉积，提高骨密度 ^{[ 5 ]}。在机械性能上，镁是目前工程应用中最轻的金属材料，具有密度低、比强度高、比刚度高的性能优点，其屈服强度和抗拉伸能力与人体骨组织接近，可达到与皮质骨相似的弹性模量（15~20 GPa），能有效避免应力集中引起的成骨障碍和骨结合不良 ^{[ 6 ]}。相较于传统的惰性材料，可生物降解的镁植入物随着机体的代谢吸收能被新生骨组织完全替代，从而避免了骨愈合后二次手术取出植入物，减少了患者创伤、降低了医疗卫生成本。另外，镁植入物的降解颗粒可被机体吸收，避免了术后不可吸收的磨损颗粒对植入物周围组织产生持续的机械刺激，降低无菌性松动发生的风险 ^{[ 7 ]}。

虽然镁具备优良的生物活性和机械性能，使用镁基合金作为植入材料的成功临床案例已有报道，但镁是一种化学性质活跃的金属元素，其在人体内不受调控的降解行为是限制镁植入物无法在临床广泛应用的重要原因之一。快速的降解常伴随植入部位的氢气积累，并可能加速植入物力学性能的衰减，导致机械性能不稳定，影响内固定效果 ^{[ 5 ]}。Noviana等 ^{[ 8 ]}的研究表明裸镁在体内降解产生的气肿会影响机体的气体交换并干扰细胞免疫的平衡，使机体处于高应激状态。此外，降解产生的局部气腔还会影响成骨细胞的黏附并对骨折端末梢血供造成负面影响，甚至可能引发气体栓塞而影响术后安全。

为提高镁金属在人体植入的安全性与可靠性，目前关于调控镁降解速率的方案已得到研究人员的广泛探索，主要的方向包括新型合金体系的开发和表面涂层改性技术的研发。合金化通过在镁基体中添加Ca、Zn、Al等第二相合金成分可以在一定程度上起到延缓降解、改善机械强度的作用 ^{[ 9 , 10 , 11 ]}。但是目前关于合金成分的生物安全性与合适配比尚无定论，并且有学者认为降解过程中杂质元素的不均匀析出会加速植入物后期的腐蚀进展，产生负面的降解效应。因此，单纯的合金化在镁植入物的抗腐蚀应用仍需进一步研究 ^{[ 12 ]}。目标是在保证植入物可控降解速率的同时兼顾植入物的生物相容性，在这个层面涂层改性技术被认为是一种可行的抗腐蚀方案 ^{[ 13 , 14 ]}。

涂层改性技术是通过物理涂覆、化学沉积等手段在镁植入物表面形成一层合适的抗腐蚀层以改善腐蚀介质与镁基植入物的接触，从而在不干扰镁合金晶粒形貌的前提下起到调控降解速率的作用 ^{[ 15 , 16 ]}。表面涂层的存在防止了镁金属腐蚀产物的迅速堆积，降低了因快速降解而对骨-植入物界面的有害影响 ^{[ 17 ]}。虽然涂层改性技术并不能直接改善植入物整体的机械强度，但是通过降低植入物在体液环境下的腐蚀速率能对镁金属的力学衰减起到有力的保护，从而使镁金属腐蚀速率与骨折的再生速率相匹配，为受损的骨组织恢复机械强度提供了时间 ^{[ 5 ]}；同时，在临床植入过程中，涂层在一定程度上也能降低应力作用对镁金属基体的损伤。

与未涂覆的镁植入物相比，涂层改性技术有两个主要优势。首先，防止了镁金属在植入初始阶段释放过量氢气和产生对成骨细胞有不利影响的极端碱性环境；其次，能调控镁离子的释放，从而稳定诱导新骨组织的形成，促进骨折断端的矿化愈合。通过优化表面微观形状，涂层还能提供更适宜的黏附界面，促进成骨细胞的增殖和铺展，提高镁植入物的骨整合性能 ^{[ 18 ]}。此外，涂层还具有丰富的改性位点，为复合涂层的制备提供了基础。通过复合涂层改性的方法可以引入药物递送系统、光热治疗系统等，针对特定临床场景进行优化设计，弥补镁植入物在临床应用中的不足 ^{[ 19 ]}。现有研究表明这种复合涂层改性技术改善了镁金属的生物相容性并丰富了植入物的生物学功能，具有较为广泛的应用前景。高端医疗设备展Medtec集中举例了近年来应用于镁基植入物的涂层制备工艺以及基于不同涂层技术的复合改性方案，为镁基植入物在骨科领域的进一步研究与应用提供参考。

一、检索策略

以”镁” “植入物” “涂层” “表面改性”为中文关键词分别在中国知网、万方数据库和中华医学期刊全文数据库进行检索；以”magnesium” “implant” “coating” “surface modification”为英文关键词在PubMed、Web of Science和ScienceDirect数据库进行检索。检索时间为各数据库建立至2023年7月。

文献纳入标准：（1）与镁基植入物或镁基植入物表面涂层改性技术相关的基础研究或临床应用；（2）文献类型为原创论著、系统综述。排除标准为：（1）重复性研究的文献；（2）质量或证据等级低的文献；（3）无法获得全文的文献。共检索文献476篇，应用EndNote软件进行查重，并根据纳入及排除标准筛选文献，剔除429篇，最终纳入文献47篇，其中中文文献8篇、英文文献39篇。

二、镁基植入物表面涂层的改性技术

新生骨组织与植入物界面良好的整合是确保植入成功的必要条件。涂层改性技术可调节镁植入物快速的降解速率，具有改善界面性能的积极作用。在各种涂层改性技术中，化学涂层技术具有在不规则的植入物表面形成结构均匀涂层的优势，因此逐渐成为镁合金生物医学领域中应用最广泛和研究最多的技术，其中包括了镁植入物的仿生涂层、微弧氧化涂层和植酸涂层的制备技术。这三种技术所制备的涂层具有生物安全性好、微观结构合理、促骨整合能力强的特点，并且具有优异的复合改性潜力，对推动镁植入物在骨科领域的研究与应用具有重要意义（ 图1 ）。

图1 骨科镁基植入物涂层改性技术示意图。镁基植入物通过不同的涂层改性技术（如具有骨诱导活性的仿生涂层、耐磨耐腐蚀的微弧氧化涂层、具有自修复潜力的植酸涂层）可制备一款降解速率可控、微观结构合理、骨整合性能高效、生物相容性好的骨科植入物

（一）镁基植入物的仿生涂层

磷酸生物陶瓷，如羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）、β-磷酸三钙（β-tricalcium phosphate，β-TCP）等矿化骨类似物，具有天然的骨诱导与促骨整合的特性，被广泛应用于骨植入物的表面涂层 ^{[ 17 , 20 ]}。在骨矿化的初始阶段，细胞外基质中钙、磷离子的沉积可以诱导骨组织的形成和成熟，预先在植入物表面涂覆磷酸生物陶瓷可以在植入早期增强矿化结节的形成及碱性磷酸酶活性 ^[ 21 ]。目前，磷酸生物陶瓷涂覆的钛合金植入物已在临床上广泛应用。因此，为提高镁植入物的促骨整合能力，仿生涂层改性技术具有一定的可行性。

磷酸生物陶瓷涂层制备方法主要包括电化学法、水热法、磁控溅射法、等离子喷涂等。其中水热法经济高效，能在相对较低的温度下完成制备，在镁改性中更具吸引力 ^[ 22 ]。Li等 ^[ 23 ]使用水热法在镁表面制备了HA涂层，电化学参数显示HA涂层（6.10×10 ^-6 A/cm ²）的存在使腐蚀电流密度较镁基体（5.12×10 ^-5 A/cm ²）降低了一个数量级，可有效改善镁植入物的抗腐蚀性能。HA涂层改性后的慢降解提高了镁植入物的生物相容性，使细胞得以正常地黏附、增殖和分化，成骨细胞在植入物表面延展出了丝状伪足。同时，仿生涂层对外基质蛋白分泌和新生骨长入起到了正向作用，随着培养时间的延长Runx2成骨基因的表达也随之上调 ^[ 23 ]。Lim等 ^[ 24 ]将HA涂层改性的镁钉植入到兔胫骨缺损模型中，术后12周显微CT成像观察发现HA涂层诱导了植入物周围新生骨的形成并起到了良好的抗腐蚀保护，未引起明显的局部和全身炎症反应，并且具有优良的促骨整合性能。考虑到水热处理条件会影响涂层的初始结合力，Sun等 ^[ 25 ]提出对水热反应中的镁植入物进行超声波处理。研究发现超声波的空化作用促进了反应过程中离子在镁金属表面上的扩散和局部气泡的消散，使得HA晶体更均匀地成核和延伸，从而形成结合紧密的致密涂层，1 h超声水热反应的涂层结合强度可达（18.1±2.2） MPa，满足镁合金作为骨科临床植入物的最低要求（10 MPa）。

近年来有研究发现单纯的HA涂层（12~44 GPa）与镁金属（29 GPa）之间可能存在结合界面杨氏模量不匹配的问题，容易发生界面应力集中和涂层断裂，最终导致抗腐蚀失效 ^[ 25 ]。为解决应变能集聚的缺陷，Yang等 ^[ 26 ]提出在水热反应前制备聚乙烯亚胺/聚丙烯酸逐层组装（layer-by-layer，LBL）复合涂层，以期起到改善涂层界面结合的作用。研究发现LBL涂层缓冲了HA涂层与镁基材之间晶格不匹配的状态，优化了磷酸钙晶体成核的界面状态，使涂层结构堆叠更加紧密；相较于松散的单纯HA涂层，LBL改性提高了涂层对腐蚀介质的隔绝作用，改性后的HA涂层表现出更优异的电腐蚀性能和析氢速率。此外，凭借聚合物特有的官能团与自身的电荷效应，LBL改性进一步弥补了HA涂层的应用缺陷。首先，聚合物的特定官能团能与HA涂层中的钙、磷离子产生相互作用力，从而增强了涂层抵抗外力剪切损伤的能力；其次，聚合物自身电荷效应产生的静电吸附力也为下一步改性或加载生物活性物质提供了可能 ^{[ 27 , 28 ]}。Ji等 ^[ 28 ]利用聚合物的静电吸附作用制备了负载庆大霉素的复合HA涂层。药物释放实验显示逐层组装的聚合物膜对庆大霉素有较好的储备功能，聚合物的静电吸附力调控了药物的扩散，在长达15 d的实验中保持了稳定的缓释（19.98 μg/cm ²），在局部产生高浓度的抗生素水平，抑制了菌落的形成，赋予涂层有效的抗菌活性。这种复合改性的HA涂层整合了促生物矿化、药物传递等多重功效，并且缓解了单独HA涂层界面结合不匹配的问题，具有一定的临床潜力（ 图2 ）。

图2 经表面涂层改性的镁基植入物应用示意图。镁基植入物通过表面涂层改性技术实现光热治疗、药物传递、调控镁离子释放等多种应用功能，从而具有抗菌、调节骨愈合环境、促新骨生成等多重功效

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（二）镁基植入物的微弧氧化涂层

微弧氧化技术（micro-arc oxidation，MAO）又称为等离子体电解氧化，是一种通过弧光放电在阳极金属表面形成内层致密、外层多孔的陶瓷样氧化物涂层的改性技术。MAO技术形成的表面涂层具有耐磨性及耐腐蚀性的特点，因此在镁基植入物的涂层制备中得到广泛应用 ^[ 29 ]。Durdu和Usta ^[ 30 ]研究发现，通过调节电解液的配比能在基材表面形成具有差异性的MAO涂层，在磷酸盐电解液的环境下镁金属能产生更高效的反应速率并形成更厚的涂层厚度，大幅提高了涂层的制备效率。磷酸盐制备的MAO涂层中含有不定形的磷酸盐成分，可自发地与游离出的镁离子结合，转变为磷酸盐结晶并原位沉积于缺陷，在一定程度上实现涂层自修复的功能 ^[ 31 ]。Rendenbach等 ^[ 32 ]在磷酸盐电解液中对镁合金接骨板和螺钉进行了MAO改性，改性后的接骨板与螺钉之间仍保持了良好的几何匹配度，即使在体外模拟接骨板固定的情况下修饰涂层仍保持完整性，起到持续的保护作用。为了验证体内植入的可靠性，他们进一步构建了猪股骨干植入模型，术后发现涂层改性后的WE43内固定物在6个月后仍保持完整的植入物形态，在骨愈合的关键时间点提供稳固的力学支撑；术后12个月的组织学观察结果显示缓慢降解的植入物被新生的骨质包被，与骨组织之间形成优良的力学衔接，且未观察到局部气肿、骨溶解、免疫反应等负面效应产生。

由于改性过程中应力释放效应的存在，MAO涂层外侧的多孔层常会形成大量的裂纹和微孔隙，这些孔隙可能成为腐蚀体液与镁基质接触的通道，在局部引起点蚀的形成，尤其在骨折固定的应力环境下，点蚀会加速涂层黏附力的衰减，从而导致涂层抗腐蚀保护失败，带来植入失败的风险。因此，为提高镁基植入物材料临床应用的安全性，有学者在MAO涂层的基础上对孔隙进行封闭处理。近年来微弧氧化-层状双氢氧化物复合涂层的制备逐渐成为MAO涂层后处理的研究热点。这种基于离子取代理论形成的层状双氢氧化物（layered double hydroxide，LDH）涂层具有制备灵活、可调节性强的特点，在MAO涂层孔隙处形成的LDH涂层结合力强，通过调节水热反应液成分可实现生物相容性好、促骨整合、抗菌活性强的多功能LDH涂层制备 ^[ 33 ]。Li等 ^[ 34 ]利用了铝前驱液进行了LDH制备，发现纳米级的LDH涂层逐层封堵了MAO涂层中的微裂纹，从而抑制了镁基植入物表面的点蚀，改善了植入物的抗腐蚀能力和细胞相容性；相较于MAO涂层，MAO-LDH涂层的纳米片结构促进了钙磷产物的形成，更有利于成骨基质在植入物表面的沉积。

虽然传统的Al-LDH涂层能有效改善植入物抗腐蚀能力，但由于铝离子具有潜在的神经毒性，于人体长期植入的安全性还有待验证。Zhang等 ^[ 35 ]提出使用铁元素的氢氧化物作为前驱剂来制备LDH涂层。研究发现Fe-LDH涂层改善了MAO涂层的致密性，随着反应时间的延长LDH涂层的腐蚀保护作用也逐渐提升，从而降低了大鼠皮下植入模型中镁片对局部组织的炎症刺激，表现出更优的组织相容性和血液相容性；LDH涂层的腐蚀保护降低了碱性环境和离子浓度变化的不利影响，利于细胞存活和成骨基因的表达。此外，Du等 ^[ 36 ]的研究发现Fe-LDH涂层具有高效的光热效应，在近红外照射下Fe-LDH涂层改性的镁片明显杀伤了裸鼠肿瘤模型体内的局部肿瘤，显著降低了肿瘤体积和活性，且未造成器官的明显损害，具有特异性高、肿瘤消融效率高、毒副作用低的优势，对骨肿瘤术后的修复重建具有重要意义。体外抗菌实验验证Fe-LDH的光热作用在抗菌过程中同样有效。通过电镜观察可以发现光热效应诱导了细菌生物膜的损伤和蛋白质外溢，从而显著降低了菌落数量，表现出优异的抗菌活性（ 图2 ）。植入物感染作为骨科术后最严重的并发症之一，早期诊断不及时会给药物干预带来困难，而Fe-LDH涂层的抗菌效应具有原位起效、抗菌谱广、无微生物耐药性的特点，能更直接地抑制菌落的黏附和生长，有潜力成为抗腐蚀、抗肿瘤、抗感染于一体的多功能生物活性材料涂层 ^{[ 35 , 37 ]}。

（三）镁基植入物的植酸涂层

植酸（phytic acid，PA）是一种天然衍生的金属离子螯合剂，通过共价交联，PA能与镁基体形成稳定的植酸镁复合物，可以改善镁植入物的抗腐蚀性能，具有生物相容性好、螯合能力强的特点。在受到划痕伤害时，PA的存在会螯合游离的镁化合物并在原位形成稳定的不溶性络合物，自修复涂层完整性，从而起到腐蚀调控的功能 ^[ 38 ]。

Chen等 ^[ 39 ]使用PA对镁金属进行了涂层改性处理。研究发现PA涂层改性提高了植入物表面的亲水性，提供了利于成骨细胞黏附增殖的界面环境，相较裸镁表现出更好的细胞活性和骨相容性；然而单纯浸涂法制备的PA涂层析氢速率仍较快，降解引起的酸碱值变化难以满足临床应用的需求，这种不稳定的降解行为可能与涂层不均匀沉积形成的微裂缝有关。因此，Zhang等 ^[ 40 ]提出对单纯浸涂制备的PA涂层再进行热处理。400 ℃的热处理会使无定形的植酸镁向结晶态转变从而修复表面裂纹，形成更有序且紧密的表面形貌，表现出更出色的抗腐蚀能力。虽然热处理改善了PA涂层的抗腐蚀能力并显著提高了涂层附着力，但是单分子涂层对游离PA的负载能力较弱，无法在应力损伤后产生高效的自修复功能，因此需要进一步行复合改性以引入具有PA负载功能的载体涂层 ^[ 41 ]。Xiong等 ^[ 42 ]制备了丝素蛋白-植酸复合涂层，其中丝素蛋白的α-螺旋和β-转角结构束缚了游离的PA分子。研究发现分子链间的电荷效应会影响丝素蛋白可变化的二级结构，当局部腐蚀引起pH值上调时，丝素蛋白原本交联的二级结构会不断延展，从而释放PA分子修复腐蚀原位，实现涂层pH响应的自修复功能。在体外划痕测试中，丝素蛋白-植酸复合涂层在6 h内可修复34%±3%的划痕深度，几乎实现了对损伤原位的实时修复；而且丝素蛋白具有促骨诱导的生物活性，在镁的作用下协同促进了细胞的成骨分化和骨样磷酸盐的沉积。为进一步提高涂层的自修复动力学，Xia等 ^[ 43 ]提出使用埃洛石纳米管作为载体来强化对PA的加载效率。基于静电吸附的原理，带负电荷的PA分子被加载到纳米管内部，与丝素蛋白共混后表现出优异的pH响应功能，在15 min内实现了对划痕损伤的自愈合。大鼠股骨植入模型也证实这种纳米载体涂层的抗腐蚀性能，在植入12周后基材降解率仅为12.5%，较未改性的镁植入物减少了20%的降解体积，且植入物与骨界面结合紧密，在植入物周围未观察到难以吸收的气泡腔，说明其具有较明显的促骨整合能力 ^[ 43 ]。

除涂层骨整合性能改善外，骨质的愈合还有赖于骨缺损原位骨质分解与合成之间的代谢平衡，尤其在骨质疏松人群中，破骨细胞的过度激活会导致骨吸收，阻碍成骨愈合。然而单纯由镁离子介导的成骨因子释放并不能完全地逆转失衡的内环境。为实现PA涂层对骨质疏松环境的改善，Zhang等 ^[ 44 ]在镁植入物表面合成了含唑来膦酸（zoledronic acid，ZA）的PA涂层。ZA因富含磷酸基团和咪唑基团而能够与PA结合形成复合的药物负载涂层。相较于未改性的镁金属，Mg-PA&ZA具有更低的腐蚀电流密度，并在体外降解实验中形成了更均匀且更表浅的腐蚀坑，表现出可观的抗腐蚀效应。另外，ZA的存在显著抑制了破骨细胞的增殖和分化，改善了失衡的骨愈合环境，与持续缓释的镁离子协同，诱导小鼠前成骨细胞的增殖和分化，促进新骨再生和骨整合。这种负载特定药物的表面涂层实现了对成骨细胞和破骨细胞的差异性调节，有望填补骨质疏松患者对医用可降解植入物的需求空缺，为可生物降解的镁基植入物的制备提供新思路（ 图2 ）。

三、临床应用及挑战

基于镁基植入物的优异性能目前国内外已成功开发了一系列产品并应用于临床试验，如韩国U&I公司的镁合金螺钉已应用于桡骨远端骨折固定，在长达1年的术后随访中维持了稳定的固定效果 ^[ 45 ]。东莞宜安科技有限公司生产的纯镁骨钉产品也成功完成临床试验注册，成为我国第一款获得临床试验许可的可降解镁基金属植入式医疗器械产品，并被用于固定自体移植的带血管蒂骨瓣，在中青年股骨头坏死的保头治疗中起到积极作用 ^{[ 46 , 47 ]}。

尽管可生物降解的镁金属已在一些骨科治疗场景中得到验证，并被认为是更适合植入人体的下一代金属材料，但镁基植入物的临床应用仍面临许多挑战，尤其是在高承重的骨骼部位，应力磨损和局部损伤会加快植入物整体腐蚀速率，因此涂层改性被认为是一种必要的调控降解行为的改性手段。目前，镁合金抗腐蚀技术虽然已有较多研究，但对医用镁植入物涂层的研究大多仅停留在材料设计层面，生物学研究尚未深入。

为推动涂层改性的镁植入物走向临床应用，在对涂层改性技术的设计和应用过程中需综合考虑以下几点因素，以确保涂层改性的镁植入物在临床领域的成功应用。（1）修饰涂层的机械性能：修饰涂层的表面结合力、抗磨损性以及自修复能力应被重视，有助于植入物在经历机械应力损伤后仍然维持涂层的完整性。（2）修饰涂层的降解性能：在长周期的人体植入中，修饰涂层需在机体的体液环境下保持持久性，并以均匀且速率稳定的方式控制镁基体的降解，这对镁植入物在整个使用寿命内保持良好的性能至关重要。（3）修饰涂层的生物性能：涂层必须具备良好的生物相容性，同时应具备多功能性，如光热抗菌、抗骨肿瘤、药物递送等功能，以满足临床多样化和复杂应用场景的需求。（4）修饰涂层的制备流程：涂层的制备需要有完善的体系规范，尤其是在复合涂层改性中需要确保涂层配伍合理。此外，还需考虑涂层技术的经济性和高效性，以及保证涂层改性后镁植入物形貌的一致性。（5）修饰涂层的临床验证和监测：应用涂层改性的镁植入物需建立完善的临床验证和监测体系，以确保植入物在真实患者中的表现与预期一致。特别是当涂层失效或发生其他意外事件时，监测体系的建立有助于及时识别问题并进行必要的干预。

综上所述，高端医疗设备展Medtec认为理想的医用镁植入物涂层应是耐腐蚀、耐磨损、可自降解、生物相容性好以及具备多样的生物学功能，仿生涂层、MAO涂层、PA涂层凭借各自特点都具备应用于临床实践的潜力，通过复合涂层的设计可以引入药物缓释系统和光热治疗系统，使得镁植入物更贴切骨科应用场景，满足特殊骨关节病患者的植入需求。此外，目前镁植入物的增材制造工艺和纳米组件涂层也得到了一些学者的关注。随着制备技术的日益进步，各项制备技术有望相互融合，克服镁基植入物的应用缺陷，以一款个性化、降解可控、生物功能丰富的多功能骨科植入物投入到临床实践 ^{[ 5 , 6 , 13 , 18 ]}。

参考文献（略）