3D打印多孔镁合金在骨植入应用中药物释放与耐腐蚀性的协同控制

《Journal of Magnesium and Alloys》：Coordinated control of drug release and corrosion resistance for 3D-printed porous Mg alloy in bone implant applications

3D打印多孔镁合金表面通过原位掺杂和后沉积层状双氢氧化物（LDH）制备药物负载涂层，改善耐腐蚀性、抗菌性和骨整合性能。原位掺杂LDH使孔隙率降低，但后沉积LDH涂层因封闭孔隙结构，在7天电化学阻抗测试中阻抗模值稳定在5×10?Ω·cm2，显著优于其他涂层。药物释放实验表明LDH后沉积涂层具有缓释特性，与镁合金降解同步，抑制了初期药物突释。生物测试显示PEO-LDH涂层细胞附着率最高（30%以上），对金黄色葡萄球菌抗菌率>99%。研究表明，后沉积LDH通过协同增强PEO层致密性和促进羟基磷灰石沉积，形成双重保护屏障，是改善多孔镁合金植入物性能的有效策略。

　　3D打印多孔镁合金被认为是金属基可降解植入物发展的重要里程碑。然而，增材制造镁合金的耐腐蚀性较差，植入后容易引发炎症和细菌感染，这给其在生物医学领域的应用带来了关键挑战。为此，本研究通过原位掺杂和沉积后处理的方法，在多孔镁合金表面制备了两种载药涂层，结合了层状双氢氧化物（LDH）和等离子体电解氧化（PEO）技术，以提升涂层的耐腐蚀性、抗菌性能和生物相容性。实验结果表明，原位掺杂的LDH胶囊有效降低了PEO层的孔隙率，提高了涂层的长期耐腐蚀性。而沉积后的LDH层则对PEO层起到密封作用，表现出高度稳定的耐腐蚀性，经过7天的电化学阻抗谱（EIS）测试，其阻抗模量在10?2 Hz时稳定在5×10? Ω·cm2。在浸泡后，原位载药PEO涂层表面出现更多裂纹和缺陷，而PEO-LDH涂层则保持相对致密的结构。在所有测试样品中，PEO-LDH涂层在耐腐蚀性、细胞增殖和分化能力以及抗菌效果（>99%）方面表现最佳。其与3D打印镁合金多孔结构的强兼容性，突显了该涂层体系在生物医学应用中的潜力。本研究提出的策略为未来开发用于3D打印多孔材料的载药涂层提供了有价值的见解。

镁及其合金近年来因其优异的生物相容性和可降解性而受到广泛关注，成为骨植入材料的理想候选。然而，镁合金的弹性模量（约45 GPa）比天然骨（3–20 GPa）高，可能导致应力屏蔽效应，从而降低新形成骨组织的机械强度。因此，降低镁合金的弹性模量以更好地匹配天然骨的特性变得至关重要。多孔镁合金被认为是理想的候选材料，因为其结构有助于降低弹性模量并促进新骨组织的强度。增材制造技术为镁合金提供了精确的结构和成分控制的新机会，使孔隙结构可以智能设计，以满足松质骨和密质骨的特定机械和生物需求。多孔结构更有助于促进骨组织生长，但其高比表面积和复杂的结构也加速了镁合金的降解，导致降解速率过高。此外，由于快速凝固和残余热应力，镁合金中的成分分离会引发严重的电偶腐蚀和晶间腐蚀。传统的表面改性技术，如喷涂和溅射，难以均匀地覆盖多孔结构的内表面。化学转化涂层也难以提供足够的屏障保护。相比之下，等离子体电解氧化（PEO）在复杂结构的镁合金表面改性方面具有显著优势，其原位形成的陶瓷层表现出良好的耐腐蚀和耐磨性能，且其效果受表面形貌影响较小。PEO过程中形成的固有多孔结构不仅保持了系统的可降解性，还创造了适合后续处理（如化学转化涂层）的局部粗糙表面。

通常，镁合金的PEO层主要由氧化镁和电解质中的无机盐组成，这种有限的成分组合限制了涂层的多功能性。为了解决这一问题，提出了两种策略来增强PEO层的功能性：一种是将功能性成分（如二氧化硅、羟基磷灰石、二氧化钛、银等）原位掺入PEO层，以改善耐腐蚀性、耐磨性和生物相容性；另一种是通过后处理方法将功能性涂层应用在PEO层上。这些纳米颗粒均匀分散在电解质中，并表现出电负性，从而被吸引到镁合金的阳极表面，促进其在生长的PEO层中原位整合。最近的研究表明，含有药物或抑制剂的纳米胶囊可以被成功地掺入PEO层而不影响其活性。例如，Lu等人利用镁铝层状双氢氧化物（LDH）作为有机抑制剂的载体，LDH有效保护了抑制剂在PEO放电过程中的降解，并显著提高了涂层的耐腐蚀性。原位掺杂允许功能性离子/成分在涂层中稳定嵌入，随着PEO层逐渐降解，这些成分会随着时间的推移释放，从而实现持续、长期的功能性。虽然此类增强物的掺杂可以有效降低孔隙率，但PEO层的固有多孔性仍然存在，这引发了对其长期植入适用性的担忧。

在本研究中，LDH被选为抗菌和抗炎药物——双氯芬酸钠的载体。利用LDH的结构特性，其层间阴离子可以与多种阴离子物种进行交换，包括无机、有机、同系、异聚酸和配位化合物阴离子。通过调节层间阴离子，可以合成不同类型的LDH，从而赋予材料不同的功能特性。本研究采用这两种方法（原位掺杂和沉积后处理）在3D打印的镁合金上制备载药涂层，旨在提高耐腐蚀性、抗菌和抗炎效果，并促进骨生长。通过研究不同LDH沉积方法对涂层微观结构和相组成的影响，以及在生理环境下的形态演变、降解行为和生物性能，阐明了药物分子释放的机制。同时，讨论了与功能性成分释放相关的降解行为。具有优异耐腐蚀性和可控释放性能的复合载药涂层有助于骨植入物的表面改性。

为了评估涂层的形成情况，利用微计算机断层扫描（micro-CT）获取了镁合金及其涂层的3D图像，并列出了各样品的计算比表面积。在未处理的镁合金中，几乎未检测到附着物，而在PEO处理后的样品中，检测到了微量附着物，这可能是由于PEO过程中的残留电解质。沉积LDH后，观察到片状结构在孔隙中均匀分布。原位掺杂影响了PEO层的生长，而沉积后的LDH则部分封闭了孔隙，导致比表面积的变化。镁合金的比表面积为69,968 mm2，经过PEO处理后降低至56,633 mm2，再经过LDH沉积后进一步降低至45,823 mm2。相比之下，原位掺杂的PEO涂层的比表面积为62,551 mm2，比原始PEO涂层更大。这表明，LDH胶囊的掺杂部分抑制了PEO层的形成。

腐蚀性能方面，通过电化学测试评估了镁和涂层的瞬时腐蚀性能。结果显示，原始PEO涂层在初始浸入阶段表现出最高的耐腐蚀性，其阻抗模量在10?2 Hz时超过10? Ω·cm2。然而，随着浸入时间的延长，阻抗模量迅速下降，这可能与PEO层的多孔结构有关。原位掺杂的PEO涂层在浸入初期表现出较低的阻抗模量，随后逐渐稳定。PEO-LDH涂层在整个浸入期间表现出相对稳定的阻抗模量，约为6×10? Ω·cm2，表明其具有优异的屏障性能。通过分析所有样品的相角图，可以观察到三种明显的时滞常数，分别对应于高、中、低频段的腐蚀过程。PEO-LDH涂层的高频率时滞常数与LDH封闭的外层多孔PEO层有关，而中、低频段的时滞常数则与原始PEO涂层的性能相似。

此外，浸入测试结果显示，所有涂层均显著提高了镁合金的耐腐蚀性。PEO-LDH涂层在整个15天的浸入过程中表现出最低的pH值，表明其具有优异的长期稳定性。药物释放行为通过紫外可见分光光度计进行检测，结果显示PEO-LDH涂层的药物释放速度较慢，而原位掺杂的PEO涂层在初期释放较快。这种差异可能是由于两种不同的药物负载方法所致。随着浸入时间的延长，两种载药涂层的表面条件逐渐稳定，HA相的沉淀有助于提升系统的稳定性。

细胞附着测试表明，所有涂层均表现出良好的细胞附着性能，活细胞几乎覆盖整个表面。原始PEO涂层在初始阶段的细胞附着数量比镁基体有所增加，但随着浸入时间的延长，细胞数量进一步增长。相比之下，PEO-LDH涂层在7天的培养中表现出最高的细胞附着数量，这与其优异的表面稳定性密切相关。碱性磷酸酶（ALP）活性作为细胞增殖和成骨分化能力的指标，PEO-LDH涂层在第7天的分化率超过30%，表明其具有良好的长期细胞增殖和分化能力。尽管PEO-LDH涂层在初期因药物释放而对细胞增殖和分化产生一定抑制，但随着时间推移，这种影响逐渐减弱，最终展现出比其他涂层更优异的生物相容性。

抗菌性能测试结果显示，原始镁基体和PEO涂层的抗菌效果较差，仅达到45.7%和41%。而两种载药涂层表现出卓越的抗菌性能，其中PEO-LDH涂层的抗菌率超过99%，几乎无细菌附着。这表明，PEO-LDH涂层在抑制细菌生长方面具有显著优势。在长期抗菌测试中，原始镁基体的抗菌效果逐渐提升，而PEO涂层的抗菌能力则显著下降。两种载药涂层在整个12天的测试期间保持较高的抗菌性能，表明其具有良好的抗菌效果。

本研究的讨论部分指出，使用镁基骨植入材料需要有效控制其腐蚀速率，特别是在3D打印多孔镁合金中。这是由于镁合金的生产过程涉及快速熔化和凝固，导致严重的成分分离，从而促进晶间和电偶腐蚀。此外，多孔结构会增加镁合金与腐蚀介质接触的比表面积，显著加速其整体降解速率。从腐蚀性能来看，原始PEO涂层在初始浸入阶段表现出优异的耐腐蚀性，但随着时间的推移，其性能迅速下降。虽然原位掺杂LDH略微降低了原始PEO涂层的初始耐腐蚀性，但通过减少PEO层的孔隙率和平均孔径，有效抑制了腐蚀介质的渗透，从而提高了长期耐腐蚀性。然而，PEO涂层在浸入过程中容易出现裂纹和缺陷，这种结构的松散性不利于长期耐腐蚀性和骨组织整合与生长。

在本研究中，采用3D打印多孔镁合金结构作为药物涂层的载体，通过原位掺杂和沉积后处理两种方法，成功制备了载药涂层。这两种方法在提高涂层性能方面各有优势。原位掺杂方法可以有效减少PEO层的孔隙率，但其释放速度较快，容易导致初期药物释放的爆发。而沉积后处理方法则提供了更大的成分灵活性，能够实现更稳定的药物释放。然而，沉积后处理涂层与底层PEO层之间的结合力较弱，容易在长期浸入过程中发生剥离。因此，需要在两种方法之间进行权衡，以找到最佳的涂层改性策略。

综上所述，本研究成功制备了两种载药涂层，分别通过原位掺杂和沉积后处理方法实现。这些涂层在生理环境中表现出良好的药物释放行为、优异的耐腐蚀性和出色的生物相容性。特别是PEO-LDH涂层，其在所有测试中表现出最佳的性能，包括最高的细胞附着能力、最强的抗菌效果和最稳定的耐腐蚀性。这些结果表明，该涂层体系在生物医学应用中具有巨大潜力，尤其是在3D打印多孔镁合金的表面改性方面。本研究提出的策略为未来开发用于3D打印多孔材料的载药涂层提供了有价值的参考，有助于推动镁合金在骨植入领域的临床应用。