上海工程技术大学王伟团队研究成果：沉积电压对羟基磷灰石-还原氧化石墨烯-壳聚糖（HA-NrGO-CS）复合涂层的影响研究
引言：
羟基磷灰石（HA）因其与骨骼相似的密度、良好的生物相容性和骨传导特性，被广泛应用于骨科植入物材料。然而，HA的机械性能较差且较脆，限制了其在光滑合金表面的附着能力。为解决这一问题，本研究通过掺杂其他材料制备复合涂层，以提高其机械性能和耐腐蚀性。
一、研究背景 （1）HA复合涂层的研究现状 已有研究表明，还原氧化石墨烯（rGO）的加入不会降低HA的生物相容性和生物活性，反而能提高复合涂层的机械性能。但rGO易发生堆叠，增加腐蚀风险。氮原子掺杂能有效解决rGO堆叠问题，增加耐腐蚀性能。壳聚糖（CS）因其良好的生物相容性和可降解性，被视为有潜力的植入物涂层材料。加入纳米填料后，CS的物理和化学特性可得到显著提升。 （2）电泳沉积技术 电泳沉积（EPD）制备的涂层易受沉积工艺参数影响，如沉积时间、沉积电压、电极板间距和悬浮液浓度等。通过优化调控工艺参数，可以直接影响复合涂层的形貌和结构，进而影响涂层的性能。 （3）镁合金作为基材 ZK60镁合金因其质量轻、高强度、良好的耐腐蚀性能等特点被广泛应用。然而，作为骨科植入材料，其在人体内的腐蚀速率过快是一个亟待解决的问题。 二、创新亮点 （1）三元复合涂层的制备：本研究采用阴极电泳沉积和热还原相结合的方法，在ZK60镁合金表面制备HA-NrGO-CS三元复合涂层。通过氮原子掺杂和GO的有效还原，解决了rGO堆叠问题，提高了复合涂层的耐腐蚀性能。 （2）沉积电压的优化：研究了不同沉积电压（120，130，140和150 V）对HA-NrGO-CS复合涂层性能的影响，发现140 V条件下制备的复合涂层具有最优的耐腐蚀性能，有效延缓了基体合金的腐蚀速率。 （3）多维度表征与分析：利用XRD、FT-IR、Raman光谱等多种表征手段，对复合涂层的物相成分、官能团分布和组织结构进行了详细分析。通过电化学测试，评估了复合涂层的耐腐蚀性能，并探讨了其耐腐蚀机理。 三、图文展示 图1 不同沉积电压的HA-NrGO-CS的XRD图谱：(a) HA纳米粉体 ；(b) GO, rGO ；(c)HA-NrGO-CS120, HA-NrGO-CS130, HA-NrGO-CS140, HA-NrGO-CS150； (d) 20°～ 40°放大区域 Fig.1 XRD patterns of HA-NrGO-CS at different deposition voltages: (a) HA nanopowder; (b) GO and rGO; (c) HA-NrGO-CS120, HA-NrGO-CS130, HA-NrGO-CS140 and HA-NrGO-CS150; (d) the enlarged region from 20° to 40° 图2 纳米粉末和不同沉积电压复合涂层的FT-IR图谱 Fig.2 FT-IR patterns of composite coatings of nanopowders and different deposition voltages 图3 HA-rGO和HA-NrGO-CS的Raman图谱 Fig.3 Raman plots of HA-rGO and HA-NrGO-CS 图4 不同沉积工艺制备HA-NrGO-CS复合涂层的 SEM 表面图像：(a) 120 V；(b) 130 V ；(c) 140 V ；(d) 150 V Fig.4 SEM surface images of HA-NrGO-CS composite coatings prepared by different deposition processes: (a) 120 V; (b) 130 V; (c) 140 V; (d) 150 V 图6 复合涂层-基体的附着力：（a）HA-NrGO-CS120；（b）HA-NrGO-CS130；（c）HA-NrGO-CS140；（d）HA-NrGO-CS150 Fig.6 Composite coating-substrate adhesion:(a)HA-NrGO-CS120; (b)HA-NrGO-CS130; (c)HA-NrGO-CS140; (d)HA-NrGO-CS150 四、结论 （1）复合涂层的性能提升：CS的加入有效提高了HA在沉积过程中的均匀分散性，防止了HA的团聚；N掺杂和GO还原的同时发生，进一步增强了复合涂层的性能。 （2）沉积电压对涂层性能的影响：Mg²⁺掺杂到HA中，影响了HA（002）晶面的生长，形成了更加均匀致密的复合涂层；随着沉积电压的增加，板状的HA晶体增加，涂层的致密度提高。 （3）最优耐腐蚀性能：在140 V条件下制备的HA-NrGO-CS复合涂层具有最大的Ecorr（-0.28 V）值和最小的Icorr（5.04 μA/cm²）值、CR值（0.11 mm/year），表明其能有效延缓基体合金的腐蚀速率；浸泡时间的增加进一步提高了复合涂层的耐腐蚀性能，证实了Ca-P磷灰石层的生成对腐蚀离子的阻隔作用。 引用本文： 文章发表于《功能材料》2025年第56卷第4期，欢迎引用本文： 张立勋,祝敬佩,王伟,等.沉积电压对羟基磷灰石-还原氧化石墨烯-壳聚糖(HA-NrGO-CS)复合涂层的影响研[J].功能材料,2025,56(4):04001-04009. Zhang L X,Zhu J P,Wang W,et al.Study on the effect of deposition voltage on HA-NrGO-CS composite coatings[J].Journal of Functional Materials,2025,56(4):04001-04009.