镁合金具有良好的生物可降解性、生物相容性和生物力学性能,被誉为第三代生物医用材料。然而,镁合金在生理介质中的高降解率使其临床应用受到极大限制。表面涂层被认为是提高镁合金耐蚀性能的有效方法。但是,涂层与镁合金基体之间的性能不匹配,涂层的结合性能差。另外,植入材料服役期间容易发生细菌感染,导致并发症和植入手术失败。针对这些问题,本文将多层结构与元素掺入相结合,通过磁控溅射技术在AZ31镁合金表面制备了不同结构和元素掺入量的氧化铌（Nb2O5）基涂层,围绕涂层的制备、微观结构与性能进行了系统的研究,为多功能涂层在植入材料表面改性中的应用提供理论基础和指导方案。采用磁控溅射技术在AZ31镁合金表面制备了Nb2O5涂层,研究了工艺参数对涂层微观结构和性能的影响。结果表明,Nb2O5涂层呈非晶柱状结构;增大溅射功率,涂层的沉积率升高,厚度增加,耐蚀性增强,但是当溅射功率大于250 W时,涂层的致密性变差,耐蚀性降低;增大氩气流量,涂层的沉积率升高,厚度增加,耐蚀性增强,但是氩气流量大于40 sccm时,沉积率降低,厚度变小,耐蚀性下降;随着溅射时间的增加,涂层的沉积率升高,厚度增大,耐蚀性和界面结合增强。为增强Nb2O5涂层与镁合金基体之间的界面结合,在涂层与基体之间设置了Nb2O5-Mg/Mg中间过渡层,制备出了Nb2O5/Nb2O5-Mg/Mg多层涂层（简写MNb2O5）。中间过渡层的引入使得由AZ31基体到Nb2O5涂层的成分逐渐变化,从而减小了涂层与基体之间的性能失配,显著提高了涂层/基体系统的界面结合力。与Nb2O5涂层相比,MNb2O5涂层的硬度（H）、弹性模量（E）和H~3/E~2分别提高12%、10.6%和14.3%。中间过渡层阻断了Nb2O5涂层中穿透性缺陷与基体的连接,延缓了腐蚀介质对基体的侵蚀,使Nb2O5涂层试样的腐蚀电流密度由3.08×10-7A/cm~2降低到1.04×10-7A/cm~2,电荷转移电阻由1.82×10~3Ωcm~2增大到5.42×10~3Ωcm~2,显著提高了Nb2O5涂层的耐腐蚀性能。为提高Nb2O5涂层的抗菌性能,在MNb2O5多层涂层表面掺杂了Zn元素,制备出了Zn-Nb2O5/Nb2O5/Nb2O5-Mg/Mg涂层（简写Zn-MNb2O5）,研究了Zn的掺杂量对Zn-MNb2O5涂层试样的微观结构和性能的影响。结果表明,Zn元素以Zn O的形式存在于涂层中,Zn元素的掺入能提高MNb2O5涂层的表面致密性和耐蚀性,但较高的Zn含量会导致表面粗糙和孔隙形成,使其致密性变差和耐蚀性降低;相较于未掺杂Zn元素的ZM0试样,Zn掺杂量为3.91 wt.%的ZM1试样的杀菌率为92.5%,而且杀菌率随Zn含量的增加而提高;Zn-MNb2O5涂层能显著提高AZ31镁合金的生物相容性,但过高的Zn掺入会导致细胞活性减弱,涂层的生物相容性下降,其中ZM1具有最高的细胞增长倍数,表现出最佳的生物相容性。为进一步提高Nb2O5涂层与镁合金基体之间的界面结合力,基于功能梯度材料理论,提出了G-Nb2O5梯度涂层的设计思路,建立了G-Nb2O5梯度涂层的物理模型、组成分布模型及物性参数模型,揭示了结构参数对涂层热残余应力的影响规律,通过正交试验法优化得到了梯度涂层的较优结构参数为:中间层层数7、表面层厚度2μm,粘结层厚度0.45μm。利用磁控溅射技术制备了G-Nb2O5梯度涂层,并以厚度相同的Nb2O5单层和M-Nb2O5多层涂层作为对比,探讨了梯度结构对Nb2O5涂层的微观结构和性能的影响。结果表明,多层界面阻断了Nb2O5涂层柱状结构的连续性,Mg的掺入填补了Nb2O5涂层生长中的针孔与孔隙,使得G-Nb2O5涂层的致密性明显优于Nb2O5和M-Nb2O5涂层;沿涂层厚度方向成分的梯度变化有效缓解了Nb2O5涂层与AZ31之间的残余应力,改善了G-Nb2O5涂层的界面结合力,提高了涂层的硬度和弹性模量,增强了涂层的塑性抗力、耐磨性和耐蚀性。相较于Nb2O5和M-Nb2O5涂层,G-Nb2O5涂层的残余应力显著降低。G-Nb2O5涂层的界面结合力为11.86 N,较M-Nb2O5涂层（7.91N）和Nb2O5涂层（0.68 N）分别增大0.5倍和16.4倍。三种涂层试样中,G-Nb2O5涂层具有最大的H、E和H~3/E~2值,其次是M-Nb2O5涂层,最小的是Nb2O5涂层。G-Nb2O5试样的磨损率为0.031×10-3mm~3/Nm,较M-Nb2O5、Nb2O5和AZ31试样分别低29.5%、97.7%和98.8%,表现出最佳的耐磨性。G-Nb2O5试样的电流密度为1.55×10-7A/cm~2,较M-Nb2O5和Nb2O5试样分别低1个和2个数量级;极化电阻为1.263×10~4Ωcm~2,较M-Nb2O5和Nb2O5试样分别大0.5倍和25.8倍,具有最优的耐蚀性能。