田孟娜，林章飛，吳文鵬，唐文艷

(河南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南省鎂合金綠色防腐技術(shù)工程研究中心，河南 開封 475004)

生物醫(yī)用金屬是指在生物體內(nèi)使用的合金或金屬，是一種具有較高的抗疲勞性和機(jī)械強(qiáng)度的惰性材料[1]，一般可應(yīng)用于骨的固定[2-3]、血管支架[4-6]、脊柱骨折和畸形的穩(wěn)定和矯正以及骨組織的替換[7]等。近年來，隨著社會(huì)老齡化的發(fā)展，全球?qū)χ踩胛锏男枨罅吭絹碓酱骩8-11]。目前，市面上廣泛應(yīng)用的醫(yī)用合金[1,12]有鈦合金、鐵合金以及鎂合金等。雖然金屬植入物來源廣泛，但是由于金屬的磨損以及腐蝕會(huì)對(duì)宿主細(xì)胞產(chǎn)生直接或間接的影響，且植入后的細(xì)菌感染也是一大難題，金屬植入生物體內(nèi)可能會(huì)有較大的風(fēng)險(xiǎn)[13]。為了實(shí)現(xiàn)長期修復(fù)和良好的臨床效果，可以在金屬合金上制備具有耐蝕性、抗菌性和生物相容性的涂層[14-15]。目前制備涂層的方法有等離子體氧化法[16-17]、提拉浸漬法[18]、旋涂法[19]、LBL自組裝法[20-21]以及電泳沉積法等。其中，電泳沉積法能夠有效控制涂層厚度且可在復(fù)雜形狀上進(jìn)行有效沉積，因而廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)用合金涂層的制備。

1 電泳沉積技術(shù)

1.1 定義及其裝置

電泳沉積技術(shù)(EPD)[22-24]，即在外加電場(chǎng)下，懸浮液中的陰陽離子定向移動(dòng)到不同極板并在極板上沉積成薄膜的一種技術(shù)。由于其具有操作簡便，對(duì)周圍環(huán)境要求較低，設(shè)備簡單，可以在復(fù)雜形狀上進(jìn)行有效沉積，并可以調(diào)控沉積厚度等一系列優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于生物陶瓷涂層的加工中。電泳沉積裝置(圖1)只需一個(gè)直流電源和一個(gè)電解槽，在電解槽中加入懸浮液以及電極，當(dāng)在兩極板間施加足夠的電壓后，懸浮液中的陰陽離子定向向兩極進(jìn)行移動(dòng)，并在極板上進(jìn)行沉積。

圖1 電泳沉積裝置圖Fig.1 Schematic illustration of an EPD cell

1.2 影響因素

影響沉積涂層質(zhì)量的因素主要分為兩方面[25]：1)與懸浮液有關(guān)的參數(shù)，如粒徑大小、濃度、溶劑等；2)與沉積有關(guān)的物理參數(shù)，如電壓、沉積時(shí)間等。

1.2.1 電壓

電泳過程中最重要的工藝參數(shù)之一是電壓[26]，施加電壓的大小對(duì)膜層的厚度以及均勻性有很大的影響。一般來說，沉積量與電壓成正比例關(guān)系，但隨著電壓的增大，沉積量過高會(huì)顯著降低沉積涂層的質(zhì)量。魏磊等[27]在不同電壓條件下在鈦基體上制備了CS-BG-HA-HNT納米復(fù)合鍍層，經(jīng)過極化曲線外推法，與10和50 V沉積電壓相比，30 V沉積電壓下具有較低的腐蝕電流密度以及較高的腐蝕電位。SEM表征發(fā)現(xiàn)30 V沉積電壓下基體表面涂層厚且無孔洞，10 V沉積時(shí)的涂層較薄，50 V時(shí)有較多的孔洞。主要原因可能是電壓的加大導(dǎo)致粒子運(yùn)動(dòng)過快，粒子的無序排列促使了不均勻涂層的產(chǎn)生。Mahmoodi等[28]通過在不同電壓40～100 V在紫銅上沉積納米Al2O3，發(fā)現(xiàn)在100 V以內(nèi)，隨著沉積電壓的增加，沉積的涂層更加均勻和致密；超過100 V后，膜層質(zhì)量降低。經(jīng)COMSOL軟件進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電壓小于極限電壓100 V時(shí)電極間的流場(chǎng)以及基板上壓力分布均勻，而在施加電壓大于100 V時(shí)，極間流場(chǎng)以及壓力分布不均，對(duì)沉積涂層的質(zhì)量造成了較大的影響。

1.2.2 懸浮液組成

由于水在低電場(chǎng)作用下就可發(fā)生電解，導(dǎo)致陰陽兩電極上產(chǎn)生氣體，嚴(yán)重影響了成膜的均勻性以及膜層的致密性[29]。因此，在電泳沉積過程中，使用有機(jī)溶劑是有必要的。Khanmohammadi等[30]在不同溶劑中通過電泳沉積在鈦表面制備了生物玻璃涂層，通過添加三乙醇胺獲得較為穩(wěn)定的懸浮液，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在小分子醇懸浮液中獲得了性能較佳的涂層。Cordero-Arias等[31]探究了不同醇水比例對(duì)懸浮液穩(wěn)定性的影響，最終選定醇水體積比為80∶20，懸浮液具有較高的穩(wěn)定性，靜止192 h后未有明顯沉降，懸浮液如圖2所示。Boccaccini等[32]選用此醇水比，也獲得了耐蝕性較好的涂層。

圖2 制備后0 h(a)和192 h (b)條件下n-TiO2/殼聚糖懸浮液在乙醇-水(體積比為80∶20)溶劑中的穩(wěn)定性[31]Fig.2 Stability of n-TiO2/chitosansuspensions in ethanol-water(volume ratio 80∶20) solvent at 0 h(a) and 192 h (b) after preparation[31]

2 電泳沉積在生物合金上的應(yīng)用

2.1 電泳沉積技術(shù)在鎂合金上的應(yīng)用

鎂是一種輕金屬，它具有與自然骨相似的彈性模量和抗壓屈服強(qiáng)度。鎂具有良好的生物安全性和生物相容性，在體內(nèi)可以降解[33]，產(chǎn)物可被身體吸收，過量的鎂可隨尿液排出體外，因此用于醫(yī)療合金時(shí)往往不需要進(jìn)行二次手術(shù)取出植入物[34]。地球上鎂資源非常豐富，在生物醫(yī)用金屬上有著較為廣闊的應(yīng)用前景，但由于其高活潑性，在人體生理環(huán)境中往往腐蝕過快[35]，很大程度上限制了其在生物體內(nèi)的應(yīng)用。Ernic等[36]提出鎂合金用于生物體內(nèi)應(yīng)滿足在模擬體液中的腐蝕速率不超過0.5 mm/a，且溶血率小于5%。因此，在鎂合金表面上制備具有生物相容性且具有一定耐蝕性的涂層是很有必要的。

經(jīng)多年研究，Alaei等[37]在AZ91鎂合金上制備了含不同濃度的生物活性玻璃的殼聚糖(CS)-生物玻璃(BG)復(fù)合涂層，發(fā)現(xiàn)在生物玻璃濃度為0.4 g/L時(shí)，獲得了均勻無裂紋的涂層。隨后在模擬體液中進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)涂覆殼聚糖-生物玻璃涂層的阻抗值均有增加，其中生物玻璃濃度為0.4 g/L時(shí)的阻抗比未涂覆涂層的鎂合金高出了將近15倍，腐蝕電流密度降低為原來的1/20，在一定程度上為鎂合金植入體內(nèi)創(chuàng)造了條件。Heise等[38]在經(jīng)過DMEM預(yù)處理的WE43鎂合金上制備了殼聚糖-生物玻璃涂層，獲得了接觸角接近55°的適合細(xì)胞生長的涂層。在未經(jīng)DMEM預(yù)處理的WE43鎂合金上制備了雙層殼聚糖-生物玻璃涂層，兩種涂層在模擬體液中浸泡3 d均可生成羥基磷灰石層，且經(jīng)過電化學(xué)測(cè)試，兩種涂層對(duì)鎂基體均有保護(hù)作用。Singh等[39]通過電泳沉積在AZ91鎂合金上制備了含有不同濃度的Fe3O4納米粒子的殼聚糖-生物玻璃-Fe3O4納米粒子涂層，經(jīng)過在PBS溶液中浸泡7 d后，涂層表面被礦化且被片狀聚集物所覆蓋，表明了涂層可誘導(dǎo)羥基磷灰石的形成，證明了涂層增加了鎂合金的生物活性，并對(duì)手術(shù)常見的細(xì)菌(金黃色葡萄球菌和大腸桿菌)的抑菌性測(cè)試表明，含有1% Fe3O4納米粒子的涂層有較高的抗菌性，抗菌結(jié)果如圖3所示。Wu等[40]在經(jīng)過微弧氧化的AZ91D上制備了磷酸鈣/殼聚糖復(fù)合涂層，探究了在含有不同醇水溶液配比的懸浮液中進(jìn)行電泳沉積對(duì)生物活性層生成的影響，經(jīng)過在PBS溶液中浸泡發(fā)現(xiàn)在n-HA/殼聚糖-乙酸水溶液的體積分?jǐn)?shù)分別為60%和80%時(shí)，獲得了具有較好生物相容性的涂層。Rahman等[41]通過陰極電泳沉積在經(jīng)過陽極氧化的WE43鎂合金上有效沉積了磷酸二鈣(DCPD)和羥基磷灰石(HA)層，通過將其浸泡在(37±0.5) ℃的模擬體液中觀察其降解行為發(fā)現(xiàn)裸WE43基體完全降解為26.4 d，涂覆DCPD的鎂合金降解時(shí)間為307.3 d，涂覆HA的鎂合金的降解時(shí)間為384.7 d，這表明在鎂合金上涂覆的涂層有效減緩了鎂合金的腐蝕，為成功植入生物體內(nèi)創(chuàng)造了有利條件。

圖3 BG、Fe3O4、BG@F1、BG@F3和BG@F5涂層對(duì)革蘭氏陰性和革蘭氏陽性菌株產(chǎn)生的抑菌圈的圖像(a)和平均值(b)[39]Fig.3 Representative images (a) and average values (b) of inhibition zone produced by BG, Fe3O4, BG@F1, BG@F3 and BG@F5 coatings against both Gram-negative and Gram-positive bacterial strains[39]

2.2 電泳沉積技術(shù)在鈦合金上的應(yīng)用

鈦合金是一種公認(rèn)的醫(yī)用金屬材料，具有良好的機(jī)械性能、較高的耐蝕性以及生物相容性等諸多優(yōu)點(diǎn)[42-44]。但鈦合金植入體可能會(huì)遭受術(shù)后細(xì)菌感染[45]。研究表明，種植體的抗腐蝕能力、微觀結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)，都影響種植體的物理結(jié)合和骨結(jié)合[46-47]。因此，如果植入物不能誘導(dǎo)成骨細(xì)胞分化以及骨組織生長，將導(dǎo)致種植體植入失敗[48]。為改善上述缺點(diǎn)，可以在鈦合金上沉積生物涂層。

Estrada等[49]通過VC(電壓恒定)-EPD和VP(電壓脈沖)-EPD的方法在部分陽極氧化的Ti-6Al-4V上制備了殼聚糖/生物玻璃/銀納米粒子的生物活性復(fù)合涂層，并測(cè)定了小鼠巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的乳酸脫氫酶(LDH)和NO。結(jié)果顯示，通過VP進(jìn)行沉積的涂層均降低了LDH的釋放，表明了涂覆后的基體更有利于巨噬細(xì)胞的成活；同時(shí)，巨噬細(xì)胞產(chǎn)生了大量的NO進(jìn)行殺菌并消除了對(duì)細(xì)胞不利的毒素。Jiang等[50]在鈦片上沉積了殼聚糖-明膠復(fù)合涂層，通過體外生物學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)涂層的生物相容性進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)在含有CS/G50、CS/G70涂層上，細(xì)胞呈現(xiàn)多邊形形貌并廣泛分布。CS/G50和CS/G70涂層上的細(xì)胞邊緣有明亮、明顯的細(xì)長絲狀偽足，表明了細(xì)胞能在涂層表面生長、分化，證明了所涂覆涂層具有較好的細(xì)胞粘附性以及生物相容性，SEM結(jié)果如圖4所示。Tao等[51]在通過陰極電泳沉積在膠原修飾的鈦板上沉積了載左氧氟沙星的咪唑啉沸石骨架-8(ZIF-8@Levo)納米粒子，并通過旋涂的方法制備凝膠/殼聚糖涂層以抑制有效物質(zhì)的釋放。抑菌性測(cè)驗(yàn)以及體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明該涂層有利于成骨細(xì)胞的增殖以及粘附，并對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有著較為明顯的抑制作用。

圖4 細(xì)胞骨架的熒光圖像: (a)純殼聚糖涂層; (b) CS / G30涂層; (c) CS / G50涂層; (d) CS / G70涂層; (e)鈦。附于CS/G50和CS/G70涂層的MG63細(xì)胞顯示出比純殼聚糖和CS/G30涂層更多的肌動(dòng)蛋白微絲束(箭頭)[50]Fig.4 Fluorescence images of cells skeletons: (a) pure chitosan coating; (b) CS/G30 coating; (c) CS/G50 coating; (d) CS/G70 coating; and (e) titanium. MG63 cells attached to CS/G50 and CS/G70 coatings displayed more bundles (arrow) of actin microfifilaments than pure chitosan and CS/G30 coatings[50]

2.3 電泳沉積在不銹鋼上的應(yīng)用

不銹鋼由于具有良好的加工性能、力學(xué)性能以及較為低廉的價(jià)格，是目前發(fā)展中國家較為廣泛應(yīng)用于生物體內(nèi)的醫(yī)用合金[52-53]。但不銹鋼表面有利于蛋白質(zhì)的吸附，容易發(fā)生感染，且不銹鋼具有較差的血液相容性[54]。因此，在其表面制備親水性，具有抗菌性以及生物活性的涂層可以有效增加不銹鋼的應(yīng)用范圍。

Akhtar等[55]等通過交流電泳沉積的方法首次在316L不銹鋼上成功制備了殼聚糖/生物玻璃/阿魏酸復(fù)合涂層。經(jīng)后期接觸角測(cè)試，所有涂層均具有親水性，且接觸角均在利于細(xì)胞黏附的范圍內(nèi)。在模擬體液中浸泡7 d后，整個(gè)表面均被羥基磷灰石所覆蓋(圖5)，表明涂覆涂層后的基體具有了一定的生物相容性。通過體外藥物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在10 d內(nèi)，藥物持續(xù)釋放。通過體外細(xì)胞培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞能夠在涂覆涂層后的基體上很好的鋪展，有利于細(xì)胞的黏附和生長。后期又進(jìn)行了涂層的抑菌性測(cè)試，復(fù)合涂層對(duì)金黃色葡萄球菌以及大腸桿菌具有較好的抑制性，且對(duì)大腸桿菌抑制性較強(qiáng)，提高了不銹鋼在生物體內(nèi)成功植入的可能性。Rivera等[56]等通過電泳沉積的方法在不銹鋼上有效沉積了玉米蛋白/含銅生物玻璃復(fù)合涂層，并測(cè)試了成纖維細(xì)胞、成熟成骨細(xì)胞、胎兒前成骨細(xì)胞以及內(nèi)皮細(xì)胞的成活性。結(jié)果表明，涂層有效增加了不銹鋼的生物活性以及細(xì)胞相容性。Al-Rashidy等[57]在316L上沉積了殼聚糖-摻雜硼的生物玻璃復(fù)合涂層，經(jīng)過在模擬體液中進(jìn)行體外生物活性測(cè)驗(yàn)表明，浸泡15 d后，表面生成羥基磷灰石層。且涂覆涂層后的Fe2+的釋放量減小，即增強(qiáng)了基體的耐蝕性。Rehman等[58]在316L上沉積了聚醚醚酮/生物玻璃復(fù)合涂層，該涂層有利于細(xì)胞的粘附生長，相較于未涂覆的基體具有較好的細(xì)胞相容性。電化學(xué)測(cè)試以及浸泡實(shí)驗(yàn)表明，該涂層增加了316L基體的耐蝕性和生物相容性。

圖5 Crt和FA1的SEM圖像: (A, D) 3d后，(B, E) 14d后，(C, F)羥基磷灰石高倍圖像[55]Fig.5 SEM images of Crt and FA1: (A, D) after 3 d, (B, E) after 14 d and (C, F) high magnification images of hydroxyapatite, respectively[55]

3 結(jié)論與展望

本文介紹了電泳沉積技術(shù)，并綜述了其在生物醫(yī)用鎂合金、鈦合金和不銹鋼上的應(yīng)用。未來可通過與其他方法相結(jié)合開發(fā)具有更好生物相容性、細(xì)胞相容性的涂層，以實(shí)現(xiàn)在生物體內(nèi)更好的應(yīng)用。