医用金属表面含锶涂层耐蚀性和生物相容性研究进展

孙文昕，樊丽君，郑钟印，邹玉红，田景睿，曾荣昌

(1 山东科技大学 化学与生物工程学院，山东 青岛 266590；2 山东科技大学 材料科学与工程学院 高分子与材料化学系，山东 青岛 266590；3 山东科技大学 材料科学与工程学院轻合金腐蚀实验室，山东 青岛 266590)

骨关节疾病及创伤引起的骨缺损导致局部功能障碍，延迟愈合或不愈合等，在临床上面临诸多挑战。传统的骨修复材料[1]有自体骨、同种异体骨、生物陶瓷及金属材料。其中人工骨修复材料一直是研究的热点。生物医用金属材料具有良好的力学性能及生物相容性等优点，是作为骨植入的良好材料。生物医用金属材料可分为两大类：可降解金属材料(如镁、锌、铁及其合金)和不可降解材料(如钛及其合金、不锈钢和钴铬合金)。可降解金属材料仍在探索阶段，虽然惰性的钛合金、不锈钢等已广泛临床应用，但是仍然存在骨细胞结合不紧密、骨整合能力差等问题，后续研究需要对其进行表面改性[2-3]，以提高骨细胞活性。

锶是人体内不可缺少的微量元素，存在于人体的各个组织，是牙齿和骨骼的重要组成成分，与人体骨骼的形成密切相关[4]。研究证明，锶具有促进成骨抑制破骨的作用，是促进骨修复的理想元素，其中雷奈酸锶已成为临床治疗骨质疏松的主要药物[5-7]。目前，在骨材料方面，锶的应用研究主要涉及合金化[8-10]、生物活性玻璃[11-13]、含锶涂层及骨组织工程材料方面[14-16]。本文介绍了近年来锶元素作为骨植入金属钛、镁、铁涂层材料的研究进展。以不同基底及不同制备方法作为分类框架，对3种材料在耐蚀(极化曲线、析氢)、体内外相容性(细胞毒性、细胞黏附、溶血率、体内植入)方面的研究进展进行了总结，并对它们的性能进行了比较。

1 钛及其合金表面含锶涂层

钛及其合金具有良好的力学性能、生物相容性、较好的耐蚀性等特点，近年来被临床医生作为髋关节假体的首选[17]。然而，钛是一种生物惰性材料，不能在体内降解、无抗菌性、骨诱导性差[18]，植入机体后与主骨结合不紧密，因此骨细胞在其表面生长缓慢，影响痊愈速度[19]。针对上述一系列问题，研究人员对钛合金进行改性处理。改性的方法主要有3种，分别为合金成分设计、显微组织和相变控制以及表面改性。对钛合金生物相容性等方面改进的方法主要为涂层改性，尤以羟基磷灰石作为主要涂层材料。

利用锶元素在骨修复方面的优点在钛及其合金表面制备含锶涂层，不仅能够促进骨细胞增长还能提高钛合金表面的细胞黏附性能。体内外实验证明钛合金表面含锶涂层的制备对钛合金植入体的骨整合以及生物相容性起到了促进作用[20-23]，常用的钛合金表面制备含锶涂层的方法有电化学沉积法、水热法及磁控溅射法等，对于循环钙化法及火焰喷涂方法的使用研究相对较少。

1.1 电化学沉积法

电化学沉积法，具有对金属基底形态要求低、涂层厚度及成分可控性好、成本低等优点，成为医用钛合金最常用的表面涂层改性的方法。在制备掺有锶元素的涂层时，往往将锶负载到具有良好生物相容性及成骨作用，且在体内易溶解、易吸收的羟基磷灰石和透钙磷石等载体材料上。李淑静等[24]在60 ℃水浴条件下，以二蒸水为溶剂，0.067 mol/L SrCl2·6 H2O，0.05 mol/L NH4H2PO4为溶液Ⅰ溶质，0.067 mol/L CaCl2，0.05 mol/L NH4H2PO4为溶液Ⅱ溶质，采用两步电化学沉积法，在溶液Ⅰ中反应1/6 h，溶液Ⅱ中反应11/6 h后，在钛合金表面制备掺有锶元素的透钙磷石涂层，在骨质疏松大鼠中植入含锶透钙磷石涂层种植支抗并以未含锶透钙磷石涂层作为对照进行观察。植入2周后，对照组骨接触率(BIC)为39.67%，高于实验组的32.58%，而植入8周后，实验组BIC上升为76.68%，高于对照组的72.03%。含锶透钙磷石涂层的制备提高了钛合金表面的骨接触率，有助于促进钛合金与骨细胞的结合。Aadil等[25]利用电化学沉积法在纯钛表面制备含锶涂层，含锶涂层包覆的植入物，超过80%的内孔表面出现明显骨整合现象，而非涂层植入物的骨整合率只有10%。需要注意的是，多孔结构与电化学沉积涂层的结合有可能进一步发展成为节段性假体中的骨生长区域，以保护种植体防止其被破坏。李忻畅等[26]为了研究涂层钛在口腔和体内的应用可行性，采用了与李淑静同样的工艺条件在钛合金表面制备了含锶透钙磷石涂层，对其进行了溶血实验，测得实验样品溶血率均低于5%，证明此涂层具有良好的血液相容性，为含锶涂层钛合金的临床应用提供了参考。Liang等[27]以大鼠作为骨质疏松模型，将不含锶和含锶涂层的钛种植体植入大鼠胫骨，4周后处死大鼠，进行组织学检查和荧光双标记分析，卵巢切除(OVX)大鼠未见骨整合和钙化骨(图1(b-1)，(b-2))，而植入掺锶涂层种植体的骨质疏松大鼠胫骨骨整合和钙化骨明显增加(图1(c-1)，(c-2))，锶对骨量减少动物的种植体骨整合有促进作用，为需要种植体的骨质疏松患者提供了新的建议。Zhou等[28]通过电化学沉积法在钛种植体表面分别制备了含锌、镁、锶的羟基磷灰石涂层，以切除卵巢的大鼠作为骨质疏松模型，将种植体植入胫骨，比较三者对骨整合作用的效果。植入12周后，Sr-HA组的骨面积比(BAR)和BIC值明显高于其他组，10% Sr(质量分数，下同)涂层的骨整合性能最好。Huang等[29]通过电化学沉积法在钛基体表面制备了含ZnO的掺锶羟基磷灰石涂层，对其耐蚀性及生物相容性进行了研究。选用MC3T3-E1细胞进行了细胞黏附和细胞增殖实验，通过扫描电镜观察到细胞在两组样品表面上黏附良好，且掺锶涂层组细胞表现出更加显著的丝状伸展。增殖实验中培养7天后的掺锶涂层组细胞增殖效果明显优于裸钛组，这是由于锶和锌元素的存在促进了成骨细胞的分裂增殖。细胞实验表明，SrHAp/ZnO复合涂层能够显著地提高裸钛表面的生物相容性。Teng等[30]在钛表面制备不同锶添加量的含锶羟基磷灰石涂层验证锶的最佳浓度，涂覆涂层减小了基体与水的接触角，增强了基体的亲水性能，有利于细胞黏附。当电解液中含0.05 mol/L Sr(OH)2·8H2O时，亲水性和细胞活力等达到最大，说明含锶制备涂层后细胞活力更高，是金属材料涂层发展的一个方向。羟基磷灰石具有良好的生物相容性，被广泛用于金属基体涂层材料的研究，除此之外，还有人用鸟粪石作为涂层材料进行了研究。鸟粪石(Mg(NH4)PO4·6H2O)是一种磷酸盐矿物，含有非常丰富的氮磷元素，是一种高品质肥料。有研究表明，鸟粪石具有良好的降解性能，是磷酸钙骨替代材料的合适替代品[31]。Claus等[32]在30 ℃电解液中通过电化学辅助沉积法制备含锶鸟粪石涂层，在鸟粪石的降解过程中会释放出锶离子，从而达到抑制破骨细胞分化的作用，说明鸟粪石是生物相容性和可能降解的生物医用植入物涂层系统的一个很有前途的载体材料，可作为锶离子的传递系统应用于口腔或人体植入中。

图1 甲苯胺蓝染色后带有植入物和骨移植物的胫骨近端的组织学检查[27](a)假手术组；(b)骨质疏松组；(c)植入掺锶涂层种植体组；(1)低倍图；(2)高倍图Fig.1 Histological examination of the proximal tibia with implants and bone grafts with toluidine blue staining[27] (a)sham group;(b)OVX group;(c)Sr group；(1)low-magnification image;(2)high-magnification

电化学沉积法制备涂层的速率及性能特征受到电流、电压、溶液pH及温度等因素的影响，基体表面涂层的生长速度和厚度与锶的掺入量也相关，在制备过程中可能导致涂层不均匀从而影响性能。

1.2 水热法

水热法，相对于其他粉体制备方法，具有制得的粉体晶粒发育完整，粒度小，且分布均匀，颗粒团聚较轻，易得到合适的化学计量物和晶形等优点，广受研究人员青睐。

韩天啸等[33]将钛纳米管置于200 ℃含锶溶液中密封水热处理1 h使锶元素加载到钛表面纳米管上，将BMSCs接种到样品的表面进行培养，实验结果显示骨分化能力增强，且涂层样品的细胞早期黏附、增殖和成骨分化方面优于裸钛和只包覆TiO2纳米管的钛，说明锶元素的添加起到促进骨修复的作用。Huang等[34]将钛阳极氧化后，为了提高样品羟基磷灰石涂层的结晶度在450 ℃下烧结2 h，并在高压釜中对样品进行4 h的200 ℃的水热处理，从而在钛表面覆盖了一层含锶的TiO2纳米管，实验发现含锶样品的腐蚀电流密度低于纯钛，表明其具有更好的耐蚀性能，钛本身就具有良好的耐蚀性能，含锶涂层对钛表面耐蚀性能的提高具有锦上添花的效果。同时ALP分泌含量的增加，表明其具有促进成骨分化的作用。韩天啸和Huang两人的实验为钛表面制备含锶涂层提供了新思路。Park等[35]在200 ℃/2 h水热处理条件下将锶元素加入盐酸酸蚀(SLA)钛种植体表面，使用1 μg剂量的牙龈卟啉脂多糖进行BMSCs培养实验，如图2所示，培养4 h时，SLA-Sr样品上的细胞有更多的胞质延伸，培养24 h后，SLA-Sr样品上的细胞的黏连程度更高，这说明含锶涂层具有促进钛表面骨细胞增殖与扩散的作用。刘春栋等[36]通过水热法对钛表面进行锶改性[37]，对改性后钛片及裸钛片进行骨髓间充质干细胞(BMSCs)黏附、迁移及成骨分化研究，在对样品进行荧光显微镜观察后发现，锶改性后的钛片表面细胞分布更加均匀、铺展面积较大，同时在成骨基因表达的实验中，培养14天后的BMSCs在涂层样品上的成骨基因表达程度明显高于纯钛，表明锶改性钛片能够促进BMSCs在其表面的黏附迁移以及成骨分化有关基因的表达。Chen等[38]通过水热法在多孔纯钛表面制备锶锌复合纳米颗粒涂层，与对照组相比，锶元素的添加促进了ALP的表达，证明了这种改性方法可以提高钛作为种植体的早期成骨诱导作用。

图2 生物潜能ST2干细胞在SLA(a)和SLA-Sr(b)样品表面扩散，肌动蛋白骨架(绿色)和黏着斑(红色)在4 h(1)和24 h(2)时的CLSM图像[35]Fig.2 CLSM image of spread biopotent ST2 stem cells on the SLA(a) and SLA-Sr(b) samples showing actin cytoskeleton (green) and focal adhesion development (red) under 4 h(1) and 24 h(2) of incubation[35]

水热法制备的涂层厚度及其与基体界面的结合强度受到温度影响，温度升高，涂层厚度增加，但结合强度会降低，如何平衡涂层厚度与结合强度之间的关系是需要关注的一个重点。

1.3 磁控溅射法

氩离子被阴极加速并轰击阴极靶表面，将靶材表面原子溅射出来沉积在基底表面上形成薄膜。通过更换不同材质的靶和控制不同的溅射时间，便可以获得不同材质和不同厚度的薄膜。磁控溅射法具有镀膜层与基材的结合力强，镀膜层致密、均匀等优点。有研究表明，将微米级形貌与纳米级形貌结合会更有利于种植体的骨结合。付乾等[39]将纯钛片用HF酸蚀在80 W溅射功率下进行磁控溅射处理1200 s后形成微、纳米级表面形貌，钛片表面锶含量为2.73%。在纯钛及涂层表面接种BMSCs培养30～120 min细胞黏附的数量都显著增加，培养7天时检测ALP活性，样品活性为130 U/L，涂层对BMSCs无明显毒性，对成骨细胞的分化具有促进作用。Liu等[40]选用绵羊来建立骨质疏松模型，将微纳米载锶种植体及微钛表面种植体植入绵羊下颌骨，植入12周后，含锶植入体BIC为78.12%，不含锶的微种植体BIC为70.42%，骨接触率显著提高。纳米粗糙表面增强了成骨细胞的黏附和增殖，植入期间锶的缓释也对骨细胞的生成和分化起到了促进作用。由此可见，利用磁控溅射法将锶负载在钛表面制备纳米级涂层明显提高骨细胞增殖能力。

直流反应溅射的反应气体会在靶表面非侵蚀区形成绝缘介质层，造成电荷积累放电，导致沉积速率降低和不稳定，进而影响薄膜的均匀性及重复性，甚至损坏靶和基片。

1.4 循环钙化法

循环钙化法主要是将样品放入氢氧化钙或者掺杂其他目标离子的溶液中浸泡循环10到20个周期，使基体涂层中含有钙等元素和羟基磷灰石沉淀物。其作用原理为金属钛经过碱液处理后在表面形成能够水解的氧化钛和钛酸钠，通过连续的循环钙化处理，会不断在样品表面形成钛酸钠，水解后形成带负电的氢氧化钛，氢氧化钛会将Ca2+吸附到样品表面。将预钙化处理后的样品浸泡在SBF中时，钙离子就会吸引带负电的磷酸根离子，促进样品表面达到钙磷饱和。Ca2+还会使周围的pH值增大，使得磷灰石晶核形成，进一步沉积形成磷灰石涂层，并且随着循环次数的增加，羟基磷灰石的沉淀在浸入模拟体液后趋于成比例地增加，从而有助于钛合金生物相容性的提高。Nguyen等[20]使用循环钙化法在钛表面覆盖含锶的磷酸钙陶瓷材料，在培养MC3T3-E1细胞1天时细胞黏附良好，培养7天后细胞增殖良好，表明含锶的磷酸钙涂层增强了钛生物医用骨再生装置的细胞黏附和增殖。循环预钙化有助于促进骨整合并提高钛植入物的生物相容性，是一种有效的表面处理方法。

1.5 超分子自组装法

超分子自组装是分子与分子之间通过稳定分子间共价键连接形成稳定分子聚集体的过程，通过此技术可以得到具有特殊性能和特性的自组装材料而受到研究人员的关注。Ding等[41]通过超分子自组装方法在钛上制备了含锶相变溶菌酶涂层，提高了钛表面亲水性，有利于细胞黏附，对样品和纯钛表面培养4天BMSCs的ALP进行染色，结果显示样品中ALP显著增多，由此可见含锶溶菌酶涂层修饰的Ti种植体对骨整合有明显促进作用，并显著提高了种植体的体内成骨能力。Ding的实验成功为以后在金属材料表面涂覆其他具有生物活性和成骨性能的有机分子提供了参考，将蛋白质、酶等作为材料植入人体具有广泛前景。

1.6 火焰喷涂法

火焰喷涂法是以氧-乙炔作为热源，将喷涂材料加热到熔化或半熔化状态，并以高速喷射到经过预处理的基体表面上，从而形成具有一定性能涂层的工艺。Wang等[42]以工作距离15 cm、水平速度500 cm/s、垂直速度5 mm/s的操作参数采用火焰喷涂技术将锶镁掺杂羟基磷灰石沉积于钛盘及植入物上，研究人胚腭间充质前成骨细胞在钛盘中的生物相容性和ALP活性，并将其植入到比格犬下颌骨，研究了其对种植体骨整合的影响。在实验组中，5Sr5Mg-HA组表现出最高的生物相容性及ALP活性，5Sr5Mg-HA组在4周和8周可见明显的成骨细胞和类骨组织生长，植入比格犬8周时，5Sr5Mg-HA组骨与种植体的接触率最高。结果表明此涂层具有促进种植体骨整合的潜能。

1.7 微弧氧化法

微弧氧化是将镁、钛等合金置于脉冲电场环境的电解液中，样品表面在微弧放电产生的高温高压环境下与溶液中的氧离子发生反应生成以基体氧化物为主的陶瓷涂层。微弧氧化膜与基体结合紧密，具有良好的耐蚀性和耐磨性，从而产生表面强化的效果。Zhang等[43]通过微弧氧化法在钛表面制备掺锶涂层，选用18月龄的比格犬进行体内下颌骨植入研究，拔除左下颌骨的所有前磨牙和第一磨牙后等待3个月使伤口愈合，将涂层与未涂层样品植入无牙部位。植入6周后处死动物，MAO-Sr组的BIC和新骨面积均显著高于MAO组，BIC已经高达60%左右，而MAO-Sr组种植体周围的新骨区域更高。通过微弧氧化法制备的掺锶涂层相较于未掺锶涂层来说具有更加明显的促进种植体骨整合的效果。

电化学沉积、水热法、磁控溅射法是目前在钛合金表面制备涂层的常用方法，电化学沉积法可使涂层与基体紧密结合但技术复杂、成本较高，而水热法相对来说比较经济方便，且采用这种方法可以在钛表面制备纳米级涂层，使涂层覆盖更加均匀，但水热法制备的涂层基体黏附性可能相对较弱，这可能是因为水热法使基体表面腐蚀形成了氧化膜。在涂层制备方法的使用中，还出现了一种新的制备技术，预循环钙化法，通过使基体得到充分浸泡而使基体表面含有钙元素促进磷灰石在表面的沉积从而在基体表面形成磷灰石涂层，以提高基体的生物相容性，虽然目前关于这种方法的实验研究较少，但相关实验证明，预循环钙化法制备含锶涂层确实对于钛表面生物相容性以及骨整合性的提高有着积极作用。将上述几种方法制备的含锶涂层的生物活性进行了对比，结果如表1[20,29-30,33,36,39,42]所示。

表1 钛及其合金表面含锶涂层生物活性比较Table 1 Comparison of biological activity of Sr-bearing coatings on titanium and its alloys

2 镁及其合金表面锶涂层

镁及其合金因具有良好的力学性能及生物相容性、可降解性、骨诱导性等特点而作为骨植入物被广泛研究。但镁合金作为医用金属材料还存在一些弊端，镁的电极电位较低，在生物体内极易被腐蚀，使得镁及其合金的耐蚀性能较差无法支撑到患者新骨完全形成。其次，镁的化学性质非常活泼，导致镁在体内迅速而不受控制的降解，使得镁合金在组织重建前失去了固有的力学性能。在探索改善镁合金耐蚀性方面，研究人员常用的方法是合金化与表面改性。合金化常常加入各种微量元素制备成具有不同功能的镁合金[8-9,44-45]。锶由于具备较好的骨细胞活性，近年来得到镁合金材料研究人员的青睐。

尽管镁的合金化和变形加工工艺都可以明显改善镁合金的耐蚀性，但是，其耐蚀能力还不能满足植入材料的实际要求，所以表面改性研究成为医用镁合金的应用关键和研究重点[46]。与镁锶合金相比，在金属材料表面制备涂层对基体的保护作用更好，将锶元素与生物相容性良好的涂层材料相结合，不仅起到对基体的保护作用，还能利用锶的作用促进成骨有利于提高金属材料作为骨植入物的骨修复性能。与钛合金不同的是，在镁合金表面制备含锶涂层首先增加镁合金表面耐蚀性能，其次骨修复性能也得到提高[47-48]。文献报道常用的制备含锶涂层的方法有电沉积法及化学转化法、微弧氧化法等，化学转化法是使基体表面发生化学反应形成一层致密保护层，但膜层厚度较薄，不能长时间有效保护基体。电化学沉积法能够使涂层材料在各种形状的基体上均匀沉积，操作工艺简单，但其影响因素复杂受到多种条件的约束，制备功能复杂、性能优良的涂层还需要进一步研究。水热法是目前制备金属涂层的常用方法，工艺简单经济损耗小。表2[48-55]总结了近年来在镁合金表面制备含锶涂层的研究进展，对涂层的耐蚀性能进行了比较。可以看出，化学转化法、微波沉积法、电化学沉积法、水热法对于镁合金表面耐蚀性的提高都有着重要影响，在所比较的方法中水热法及化学转化法对镁合金耐蚀性能的提高更为明显。

表2 镁合金表面含锶涂层耐蚀性比较Table 2 Comparison of corrosion resistance of strontium-doped coatings on magnesium alloys

2.1 电沉积法

以电沉积法在镁合金表面制备含锶涂层，主要焦点集中在含锶羟基磷灰石方面，研究人员从不同角度出发，探讨锶的作用及对合金表面改性的影响。Gu等[48]通过电沉积法在60 ℃电解液中处理70 min从而在AZ31B镁合金表面制备了锶-羟基磷灰石涂层，锶含量的差异会影响基体表面涂层的致密程度，当锶含量达到50%时，涂层的表面形貌更加紧密均匀，浸泡实验中锶-羟基磷灰石涂层减缓了pH值的增加，且镁合金的耐蚀性与锶含量成正比，但过高的锶含量会使涂层更易溶解，生物活性实验中，样品的OD值及ALP活性均高于未涂层组。含锶涂层的制备会增强镁合金的耐蚀性但需要调控好涂层致密和降解速率之间的关系，并且锶元素的添加确实有利于成骨分化。Shi等[56]在镁锌合金表面制备了含锶羟基磷灰石涂层，发现样品在2 h后对牛血清白蛋白(BSA)的吸附量为0.5 mg/mL远远高于裸合金对BSA的吸附量，细胞黏附实验中，在相同黏附时间下，裸合金的细胞黏附数量也低于涂层样品。细胞黏附数据结果显示，培养8 h后，含锶涂层样品细胞黏附数量明显多于裸合金样品，表明此涂层能够增强镁合金骨整合性能。上述研究证明了镁合金表面含锶羟基磷灰石改性均能起到提高耐蚀和细胞黏附及增殖的作用，对具体的机理和体内情况还需进一步探索。

2.2 化学转化法

化学转化膜主要是金属基体表面的原子与介质发生化学或电化学反应，在表面形成附着力良好、性质稳定的隔离层。化学转化法在镁合金表面制备含锶涂层的研究多集中在提高耐蚀性方面。如：Amaravathy等[49]通过化学转化法在镁合金表面用1.5%Sr在50 ℃，pH数值为2.5，20 min磷化时间条件下制备了含锶涂层，析氢实验中裸合金在浸入模拟体液(SBF)后立即产氢，而涂层样品在浸入48 h后总氢气产量仅为2.42 mg·cm2·h-1。制备含锶涂层后，镁合金的析氢含量大大减少，说明此涂层对镁合金具有良好的保护作用，大大降低了植入体周围产氢感染的可能性。Birbilis等[57]将镁分别沉浸在40～80 ℃、pH值为3的磷酸二氢铵和硝酸锶的混合溶液中在镁表面通过化学转化法制备了磷酸锶(SrP)转化膜涂层，在MEM培养基中浸泡14天后，涂层保持良好的完整性，只有一小部分表面被腐蚀，这说明SrP转化膜涂层能够保护镁种植体延长其降解时间，且80 ℃下制备的涂层具有优于其他温度的耐蚀性能。磷酸锶转化膜的研究也为镁合金含锶涂层提供了一种新的方向。Ke等[51]也通过化学转化法在镁合金表面制备了磷酸锶转化膜涂层，采用扫描电子显微镜、能谱仪、动电位极化曲线和质量损失测量等方法对磷酸锶涂层及其降解性能进行了表征。结果表明此涂层对镁合金有优异的保护作用。Ke的研究再次证明磷酸锶转化膜作为保护镁合金涂层的可能性。Ke等[58]也将合金样品置入80 ℃的磷酸二氢铵和硝酸锶混合液中，并控制pH值使其保持在1～3.8之间从而在镁合金表面制备了磷酸锶涂层，随着基体在磷酸锶溶液浸泡时间的增加，磷酸锶颗粒在基体表面不断生长，形成致密的涂层，研究了温度、溶液pH值及离子浓度对涂层和基体的影响，发现80 ℃下制备的磷酸锶涂层的存在能有效提高基体的耐蚀性能。另外，也有研究人员探讨了含锶化学转化膜对细胞的影响。Makkar等[50]将样品浸入70 ℃的磷酸二氢钠水合物(NaH2PO4·2H2O)、脱水硝酸钙、硝酸锶混合溶液中放置24 h，在ZK60镁合金表面制备了含锶磷酸钙涂层，对其进行表征，涂层均匀无缺陷，与合金表面结合紧密，镁合金和Ca-Sr-P涂层的接触角分别为(107.8 ± 2.4)°和(99.3 ± 0.7)°，与镁基体相比，涂层后的表面亲水性增强，细胞实验中表面涂层还促进了MC3T3-E1细胞的黏附、增殖和成骨标志物的表达。将镁合金及涂层样品浸入Hank’s溶液中，浸泡14天后，裸合金和涂层样品的pH值分别为10.84和8.65，样品pH值较低。表明此涂层增强了镁合金的耐蚀性。虽然化学转化法制备的涂层紧密，但在镁合金表面形成的转化膜厚度较薄，不能起到彻底防护的作用，后续还需要在实验条件上多摸索，另外此种方法制备的含锶涂层体外的细胞毒性、体内促进骨增殖的活性方面需要深入研究。

2.3 微波辅助沉积法

Yu等[53]通过微波辅助沉积法在AZ31镁合金表面制备Sr-HA，锶元素的添加加快了磷灰石的析出，磷灰石在镁合金表面不断生成达到保护镁合金的目的，显著提高了镁合金在模拟体液中的耐蚀性。林炳鹏等[52]将镁合金放入Sr-HA溶液中微波处理4 min制备了含锶羟基磷灰石涂层，与镁合金相比，涂层样品腐蚀电位正移、腐蚀电流密度减小、极化电阻增大表明涂层能有效地提高镁合金的耐蚀性能。

2.4 微弧氧化法

Han等[59]选用8 g/L KF·2H2O,4 g/L(NaPO3)6,0.8 g/L Ca(OH)2和0.8 g/L Sr(OH)2电解质制备含锶微弧氧化涂层,工作电压、工作频率、工作占空比和制备时间分别为360 V，1000 Hz，40%和5 min。通过水冷系统将电解液的温度保持在20～25 ℃,在镁合金表面制备了Sr-Ca-P涂层，对其进行了电化学实验及浸泡实验，结果表明Sr-CaP包覆Mg合金具有较好的体外耐蚀性和体内缓蚀作用。Yi等[60]在纯镁表面制备了含锶微孔涂层，将MC3T3-E1细胞在不同包被的Mg孔板上培养1，3，5天，检测成骨细胞ALP活性。培养5天后的ALP染色显示，含锶涂层样品的ALP染色数量明显多于纯镁或无锶涂层样品的染色数量，表明镁表面的含锶涂层能够促进成骨分化。采用鬼笔环肽染色和DAPI染色观察细胞形态后发现，细胞在含纯镁培养板上的生长状态一般，而用Mg-MAO培养的细胞呈现出铺展开的现象并显示出多边形状，细胞之间具有单交联，表明在纯镁表面制备微弧氧化涂层能够提高纯镁的生物相溶性。同时，与不含Sr的生长基体相比，Sr-MAO包被的Mg板上的细胞扩散面积便大，细胞排列更为连续和密集，伪足伸出较多，细胞交联较紧密，且2 g Sr-MAO培养细胞的生长状况要优于1 g Sr-MAO，这表明Sr是一个很好的成骨促进剂。

2.5 水热法

研究人员利用水热法，在镁合金表面制备了有机与无机相结合的含锶涂层，探讨了涂层的耐蚀性及生物活性。Zhang等[61]在镁介导的金属有机框架上制备含锶羟基磷灰石涂层，结果表明涂层具有促进成骨细胞增殖和成骨分化的巨大潜力。研究中还使用了2,5-二羟基对苯二甲酸(DHTA)，此物质具有诱导涂层抗菌的可能性，但作者并没有深入研究，这为含锶涂层抗菌提供了一个研究方向。Wang等[54]调节涂层溶液pH值为5，在120 ℃水热反应下在镁合金表面制备了含锶羟基磷灰石涂层，对其进行了电化学和浸泡实验，镁合金的Ecorr为-1.68 V,Icorr为1.46×10-4A/cm2，不含锶的羟基磷灰石涂层样品的Ecorr为-1.39 V、Icorr为5.06×10-6A/cm2，而含锶涂层的样品的Ecorr为-1.35 V、Icorr为1.65×10-6A/cm2，结果表明，含锶涂层能够更好地提高镁合金的耐蚀性能。Wei等[55]在镁合金表面制备了以聚多巴胺和羧甲基壳聚糖为载体的含锶涂层，涂层上还添加了双膦酸盐和阿仑膦酸盐。对镁合金及覆盖涂层的镁合金样品进行了浸泡实验、电化学实验以及相容性实验，在浸泡过程中，pH值从近中性迅速上升到弱碱性。两组样品的pH值差异随浸泡时间的延长而增大。在第14天，与未涂覆的AZ31镁合金接触的SBF的pH值略高于涂覆的，pH值分别为8.6和8.4。未涂层和涂层样品具有非常接近的腐蚀电位，但涂层AZ31镁合金的腐蚀电流密度只有30.8 μA/cm2，是未涂层AZ31镁合金(56 μA/cm2)的一半左右。结果表明，此涂层能够有效提高镁合金的耐蚀性。将阿仑膦酸盐与含锶羟基磷灰石共同结合制备的仿生涂层有利于骨修复，但需要进一步进行体内实验探讨这种方法是否可行。目前本课题组正在利用水热法以蒙脱石为载体在镁合金表面制备掺锶涂层的研究，蒙脱石是一种由颗粒极细的含水铝硅酸盐构成的层状矿物，已有研究表明蒙脱石可作为药物载体应用于医药领域，少量的蒙脱石对人体并无毒副作用，利用其良好的阳离子交换性能，可以将锶离子与其中的钠离子进行置换从而制备掺锶涂层。目前课题处在涂层制备工艺优化阶段。

3 铁表面含锶涂层

与其他金属材料相比，铁作为医用金属植入材料不仅具有更好的力学性能，而且维持时间更长，因此更适合承载较高的植入体[62]。而且，它在机体体液中的腐蚀无氢离子析出，但是由于其铁磁特性和降解太慢大大限制了其在植入材料方面的应用。已有研究证明，纯铁作为可生物降解的心血管支架的应用是安全的。Liu等[63]研究了多种合金元素与纯铁结合后的细胞相容性，均未发现不良反应，细胞相容性良好，为可生物降解铁基生物材料所需合金元素提供了借鉴。研究人员也对铁基体的含锶涂层进行了研究，如He等[62]通过电化学沉积法在多孔铁支架上制备了含锶八磷酸钙涂层(Sr-OCP)。体外生物降解实验表明，纯铁支架在Hank’s溶液中放置1天和28天后铁离子释放的浓度分别为42 μg/mL和580 μg/mL，而涂覆有Sr-OCP涂层的多孔铁支架在放置相同天数后释放的铁离子浓度仅为13 μg/mL及50 μg/mL，远远小于未涂覆铁支架的释放量。这表明在铁支架表面涂覆Sr-OCP涂层能够有效降低铁支架的降解速率。同时，还对此涂层的生物相容性进行了研究。图3为MC3T3-E1细胞培养12，24，48 h后的细胞活力图，*表示P值<0.05。MC3T3-E1细胞培养24 h后，铁支架涂覆含锶涂层的细胞活力明显高于未涂覆的铁支架，且细胞活力值高于80%，如图3所示。这表明含锶涂层对MC3T3-E1无细胞毒性。实验还表明，含锶涂层对MG-63细胞同样不具有细胞毒性。多孔铁支架表面涂覆的含锶八磷酸钙涂层可以有效地提高支架的耐蚀性和生物相容性。

图3 培育12， 24， 48 h后3种支架的MC3T3-E1细胞的活力[62]Fig.3 Viability of MC3T3-E1 cells on the three scaffolds after incubation for 12， 24 h and 48 h[62]

Ray等[64]通过建立去势大鼠骨干端骨缺损模型对单纯泡沫铁及锶涂覆的泡沫铁的成骨性能进行对比，与单纯泡沫铁相比，锶涂覆的泡沫铁植入接触面的骨形成显著增加，且锶涂覆的泡沫铁能够更好地促进成骨细胞生成、抑制破骨细胞活性。研究表明，锶涂层能够提高泡沫铁的生物相容性。

4 结束语

本文主要介绍了含锶涂层在钛、镁和铁3种医用金属材料表面的研究进展，锶元素作为人体骨骼中的主要元素，将其作为涂层材料不会对人体造成负担，且其优异的促进骨修复的性能，对医用金属材料作为植入材料的应用具有重要作用。含锶涂层应用于钛等不可降解医用金属表面主要起到促进骨整合或者骨细胞增殖的作用，应用于镁、铁等可降解医用金属表面后，在实现提高金属耐蚀性的前提下，还能够促进骨细胞增殖。因此，含锶涂层在金属材料表面的应用有着广泛的前景。

锶作为涂层材料的研究目前主要是以生物相容性较好的羟基磷灰石作为载体，远远不能满足实际需要，开发更多的可以负载锶的有机或无机载体，获得具有复合多功能、可控释金属材料，提高材料表面的耐蚀性、抗菌性、骨活性等研究具有较大的发展空间。

另外，锶在金属材料锌表面应用的研究较少。锌具有较好的抗菌性能，两者结合，制备抗菌性及骨活性于一体的金属材料，值得研究人员研究及关注。