混合价金属有机框架（MOFs）在微弧氧化处理后的构象转变及生物相容性研究——应用于粘结剂喷射打印钛合金植入物涂层

《Materials Today Nano》：Study on the Conformational Transformation and Biocompatibility of mixed valence MOFs as Micro Arc Oxidation treated Binder Jetting Printed titanium alloy implant Coatings

选择性激光熔融（SLM）钛合金因表面粗糙度差导致生物相容性不足，本研究提出结合 binders jetting additive manufacturing（BJAM）与微弧氧化（MAO）的工艺，通过溶热法合成锰基介孔框架（Mn-BTC）并优化合成温度（170℃），其表面形貌由不对称多面体转变为均匀球体，Mn3?逐步还原为Mn2?，显著降低细胞毒性。最终将170℃合成的Mn-BTC涂层于BJAM-TC4钛合金表面，MAO处理形成Mn-BTC/MAO复合涂层，使细胞附着率提升12.1%，为钛合金植入物表面功能化提供新策略。

　　

Xinglin He|Xia Luo|Zhaoyubo Zeng|Huawei Cai|Lehui OuYang|Ruicheng Liu|Bensheng Huang|Zhou Fan|Kurapova Olga Yu|Vladimir Gennadievich Konakov

中国西南石油大学新能源与材料学院，成都610500

摘要

目前，选择性激光熔化（SLM）钛合金能够满足个性化医疗设备的需求，但由于其表面粗糙度较差，导致生物相容性不佳。一种低成本、高效率的3D打印方法——粘结剂喷射增材制造（BJAM）有效解决了这一问题。此外，在BJAM处理的钛合金植入物上涂覆生物活性涂层可以增强其表面惰性。本研究通过溶剂热法合成了Mn-MOFs，并研究了合成温度对Mn-BTC的形态、结构和细胞毒性的影响。最终，将生物相容性最佳的Mn-BTC涂层涂覆在BJAM处理的TC4植入物上。结果表明，在热力学驱动力的作用下，Mn³⁺逐渐还原为Mn²⁺，使Mn-BTC的形态从不对称多面体转变为均匀球体。这种价态-形态协同作用显著降低了170°C下合成的Mn-BTC的细胞毒性。随后，将170°C合成的Mn-BTC通过微弧氧化（MAO）技术涂覆在BJAM处理的TC4钛合金植入物上，制备出Mn-BTC/MAO-TC4涂层。该涂层不仅有效提高了RGR（提高了12.1%），还显著提升了BMSC的粘附性能。本研究揭示了Mn-BTC中温度与形态之间的结构-活性关系，为BJAM钛合金植入物的表面功能化提供了一种新策略。

引言

3D打印技术的出现彻底改变了个性化医疗设备和骨植入物的制备方式[1]、[2]。其中，3D打印钛合金因其优异的耐腐蚀性和机械强度成为关键的医疗植入材料[3]、[4]。然而，目前的3D打印钛合金医疗设备（如选择性激光熔化（SLM）仍存在一些问题。例如，在植入过程中，未熔化的金属粉末可能导致金属离子过度释放，从而影响生物相容性[5]。粘结剂喷射增材制造（BJAM）是一种低成本、高效率的3D打印方法，能够制备出表面质量良好的合金，避免了上述问题[6]、[7]。然而，钛合金固有的生物惰性以及缺乏骨整合和骨诱导性能限制了SLM和BJ制造的钛合金植入物的有效骨接触。因此，这些挑战严重限制了3D打印钛合金骨植入物的临床应用。

生物活性涂层可以改变材料表面性质并增强细胞粘附性。阳极氧化、电泳沉积和微弧氧化（MAO）等技术能够形成功能性涂层，从而提高生物相容性。Zhang等人[8]通过MAO制备了掺锌的CaP涂层，Liu等人[9]制备了Sr-MAO涂层。然而，元素掺杂往往导致离子分布不均[10]、局部离子富集[8]以及潜在的细胞毒性。此外，不受控制的离子释放限制了这些材料的长期稳定性[11]。因此，人们正在探索其他表面改性方法。金属有机框架（MOFs）因其独特的优势而在生物医学领域受到广泛关注[12]：它们具有高表面积、可调的孔径和表面化学性质，使其成为药物输送、医学成像和组织工程的理想候选材料。Xue[13]将Mg/Zn-MOF74涂层负载在钛基底上以促进组织修复。Yan等人[14]通过Zr-MOF涂层提高了生物相容性。参考文献[15]、[16]、[17]指出，MOFs的毒性与其化学组成、粒径、形态和聚集行为密切相关。主要的毒性机制是由于MOF结构中金属离子的释放[18]。然而，尽管Cu和Mn等过渡金属离子是人体必需的微量元素[19]，但由这些离子构成的MOFs（如基于Mn的系统）仍表现出显著的细胞毒性[20]。这种差异表明，传统的“金属离子释放”理论无法完全解释MOFs生物效应的多样性[21]。

为了解决这些问题，本研究采用溶剂热法合成了Mn-BTC MOFs，所用原料为硝酸锰和三聚酸。选择这种材料是基于其固有的生物活性和结构可调性[22]、[23]。此外，与其他反应性金属相比，锰在体内环境中更稳定。多项研究[24]、[25]、[26]表明，锰在磁共振扫描中的T1加权成像方面具有优势。因此，使用含锰材料制备骨材料也有助于术后成像监测。通过改变反应温度，研究了Mn-BTC MOFs的合成机制和结构演变，以调控其形态并阐明形成机制。系统评估了不同温度下合成的Mn-BTC MOFs的细胞毒性。最终，将生物相容性最佳的Mn-BTC材料沉积在MAO处理的BJAM钛合金植入物上，制备出Mn-BTC/MAO复合涂层，并研究了该复合涂层的细胞毒性和细胞粘附性能。

部分内容片段

Mn-BTC的合成

溶液A将0.223克硝酸锰四水合物（AR，上海Macklin生化有限公司）溶解在20毫升无水乙醇中制备而成。溶液B将0.115克1,3,5-苯三甲酸（AR，上海Macklin生化有限公司）溶解在20毫升无水乙醇中制备而成。将溶液A和B混合后，在磁力搅拌器上搅拌20分钟以确保完全溶解。然后将混合物转移到一个50毫升的聚四氟乙烯内衬高压釜中

合成温度对Mn-BTC组成的影响

< />₃BTC配体中的羧酸基团可作为Mn-BTC的非均相成核位点，通过动态配位促进晶体的定向生长[28]。同时，苯环结构的π-π堆叠效应为自组装提供了驱动力，从而促进三维框架结构的拓扑重构[29]，最终生成Mn-BTC粉末。图1-a展示了不同温度下Mn-BTC材料的XRD图谱

结论

• (1)
  本研究揭示了溶剂热合成Mn-BTC过程中合成温度、价态和结构之间的关系。随着温度从140°C升高到180°C，Mn³⁺在热力学驱动力的作用下逐渐还原为Mn²⁺。Mn²⁺比例的增加改变了金属中心的配位环境，促进了六聚体结构的主导配位组装，导致形态发生转变

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（52376076）、国家自然科学基金重点项目（92359204）以及四川省科技计划（项目编号2024JDHJ0003）提供的财政支持。