硬脂酸/聚吡咯超疏水涂层调控可降解镁合金的腐蚀行为、抗菌性能及细胞相容性在骨折固定中的应用研究

《Journal of Magnesium and Alloys》：Insights of stearic acid/polypyrrole superhydrophobic coating on controlling corrosion, antibacterial and cytocompatibility of biodegradable Mg alloy and its implication on fracture fixation

本研究针对可生物降解镁合金在骨科应用中存在的腐蚀速率过快、抗菌性能不足及细胞相容性差等问题，开发了一种硬脂酸(SA)处理的聚吡咯(PPy)超疏水涂层。研究结果表明，该涂层使镁铈(MZS-Ce)合金的接触角达到153.6°，腐蚀抑制效率超过85%，并展现出优异的抗菌活性和促进成骨分化的能力。通过兔股骨和山羊胫骨模型证实，涂层植入体能够有效控制降解速率，促进新骨形成，且无器官毒性，为可降解镁基骨科植入物的临床应用提供了重要技术支撑。

　　

随着生物医学材料领域的快速发展，可生物降解镁合金因其优异的生物相容性、与天然骨匹配的弹性模量以及可在体内逐步降解的特性，成为骨科植入物材料的研究热点。然而，镁合金在生理环境中的过快腐蚀速率、局部腐蚀问题以及伴随的氢气释放和pH值升高，严重制约了其临床转化。此外，植入术后的细菌感染风险也是影响植入成功率的关键因素。

为了突破这些技术瓶颈，研究人员将目光投向表面改性技术。近期发表在《Journal of Magnesium and Alloys》上的一项研究，深入探讨了硬脂酸/聚吡咯(SA/PPy)超疏水涂层对可降解镁合金性能的调控作用。该研究通过系统的体外和体内实验，验证了该涂层在控制腐蚀、增强抗菌性能和改善细胞相容性方面的卓越效果。

研究团队采用了一系列关键技术方法开展本研究。他们通过搅拌铸造工艺制备了Mg-0.2Zr-0.1Sr (MZS)和Mg-0.2Zr-0.1Sr-0.5Ce (MZS-Ce)合金，并对其进行溶液处理和热锻造。涂层制备过程包括先在ZrCl₄-吡咯溶液中浸泡48小时形成聚吡咯涂层，再进行硬脂酸处理。研究利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)对涂层化学成分进行表征，通过扫描电子显微镜(SEM)分析表面形貌和涂层厚度。腐蚀性能通过电化学测试（包括开路电位、动电位极化和电化学阻抗谱）和浸泡实验评估。抗菌性能针对大肠杆菌(E. Coli)和金黄色葡萄球菌(S. aureus)进行测试。体外细胞相容性使用MC3T3-E1细胞系通过Alamar blue法和碱性磷酸酶(ALP)活性测定进行评估。体内研究包括在兔股骨中植入圆柱形样品，以及在黑孟加拉山羊胫骨中进行的骨折固定研究，通过micro-CT、组织学分析和荧光标记等方法评估骨整合情况。

3.1. FTIR和XPS分析

FTIR分析证实了聚吡咯涂层在3380 cm^-1（N-H伸缩振动）、2921 cm^-1（C-H键）和1534 cm^-1（C=C伸缩）等处的特征峰。XPS分析显示涂层中含有Mg、C、N、Zr和O元素，其中Zr 3d谱峰位于184.4 eV和182.2 eV，对应于ZrO₂。

3.2. 微观结构分析和涂层表面形貌

添加0.5 wt.%的铈使MZS合金的晶粒从13.2±3.4 μm细化至7.3±1.4 μm，并增强了基面织构。SEM显示聚吡咯涂层呈棒状结构，硬脂酸处理后形成花瓣状簇团，表面存在不规则微裂纹。

3.3. 涂层厚度和交叉切割胶带测试

MZS和MZS-Ce涂层的平均厚度分别为31.34±4.89 μm和36.20±2.87 μm。胶带测试显示涂层附着力优异，符合ASTM D3359-17标准的5B等级。

3.4. 表面粗糙度测量和接触角测量

涂层MZS-Ce样品的表面粗糙度(R_a)为5.06±0.48 μm，显著高于裸合金的0.18±0.01 μm。接触角测量显示涂层表面具有超疏水性（153.6°±1.6°），而裸合金为亲水性（69.3°±1.3°）。

3.5. 腐蚀研究

浸泡实验表明，涂层显著降低了腐蚀速率，MZS-Ce（涂层）的腐蚀速率最低（0.39±0.04 mmpy）。电化学测试显示，涂层样品的腐蚀电流密度(I_corr)显著降低，极化电阻(R_P)显著增加。MZS-Ce（涂层）的腐蚀抑制效率达到88.86%。

3.6. 浸泡后的表面形貌

浸泡96小时后，裸合金表面出现严重局部腐蚀和大点蚀坑，而涂层样品则显示出更致密的腐蚀产物层，点蚀坑更小且浅。

3.7. 抗菌分析

涂层样品对E. Coli和S. aureus均表现出优异的抗菌性能，特别是MZS-Ce（涂层）对E. Coli的抑制率达到90.03%，并能完全抑制S. aureus的生长。

3.8. 体外细胞相容性

Alamar blue法和Live/Dead染色表明，涂层样品支持MC3T3-E1细胞的增殖和存活，细胞活性均高于70%（ISO 10993-5标准）。MZS-Ce（涂层）的ALP活性最高，表明其成骨分化能力最强。

3.9. 兔股骨体内生物相容性

Micro-CT和组织学分析显示，植入3个月后，涂层MZS-Ce植入物周围有新骨大量形成，骨-植入物接触良好。氧四环素(OTC)标记显示，涂层MZS-Ce组的新骨形成百分比最高（67.70±1.46%）。

3.10. 山羊胫骨骨折固定研究

X射线和micro-CT显示，涂层植入物在90天内保持了机械完整性，氢气释放可控，周围有致密的新骨形成。组织学分析证实涂层植入物组骨愈合更成熟，哈弗斯系统更多，且对心、肝、肾、脾等重要器官无毒性。

4.1. 聚吡咯涂层机理

聚吡咯在ZrCl₄作用下聚合形成长链，硬脂酸处理降低表面能，与粗糙表面共同形成Cassie-Baxter状态，赋予超疏水性。涂层通过物理屏障作用、阳极保护以及离子交换机制抑制腐蚀。

4.2. 研究样品的腐蚀机理

铈的添加细化了晶粒，促进了CeO₂钝化膜的形成，增强了耐蚀性。聚吡咯涂层的超疏水特性以及其氧化还原能力，有效阻挡了Cl^-离子的侵蚀，延缓了镁的溶解。

4.3. 抗菌性能

镁离子(Mg²⁺)、锆离子(Zr⁴⁺)和铈离子(Ce⁴⁺/Ce³⁺)通过破坏细菌细胞壁、产生氧化应激以及干扰钙离子代谢等多种机制发挥抗菌作用。聚吡咯的正电荷与带负电的细菌细胞壁静电作用，以及涂层的低表面能和超疏水性，共同贡献了强大的抗菌效果。

4.4. 体外生物相容性

涂层通过控制降解速率，维持了适宜的微环境pH值和离子浓度，避免了高浓度Mg²⁺和OH^-以及过量氢气对细胞的毒性，从而促进了细胞粘附、增殖和成骨分化。

4.5. 体内生物相容性

涂层植入物可控的降解速率使得Mg²⁺、Sr²⁺和Ce⁴⁺等离子缓慢释放，这些离子通过激活生长因子、促进血管化和刺激成骨相关信号通路（如Wnt、BMP/Smad）等机制，有效促进了骨再生和骨折愈合。同时，避免了因降解过快导致的氢气大量积聚和组织不良反应。

本研究成功开发了一种基于硬脂酸/聚吡咯的超疏水涂层，并将其应用于可降解Mg-Zr-Sr-Ce合金。该涂层通过显著的腐蚀抑制、强大的抗菌活性和优异的细胞相容性，有效解决了可降解镁合金骨科植入物面临的关键挑战。大型动物（山羊）骨折固定模型证实，涂层植入物能在体内环境中保持结构完整性，可控降解，并显著促进骨再生，且对重要器官无毒性。该研究为开发高性能可降解镁基骨科植入物提供了坚实的实验依据和可行的技术方案，具有重要的临床转化前景。