通过蒸汽升华和沉积技术制备多孔涂层，用于间隙流体微滤装置中的分子通道传导和过滤

《Advanced Healthcare Materials》：Porous Coatings by Vapor Sublimation and Deposition for Molecular Channeling and Filtration in an Interstitial Fluid Microfiltration Device

间隙液收集装置中，采用气相聚合制备的多孔聚氯代苯环庚二烯涂层，在机械耐用性和生物相容性方面表现出色。通过调控孔隙结构和材料特性，实现了对大于500纳米颗粒的80%以上过滤效率，并有效抑制了组织增生和细胞污染。体内实验验证了该涂层在保持滤过性能的同时，可使收集管腔保持清洁。

　　植入式间质液（ISF）收集组件已成为连续健康监测和诊断应用中极具前景的平台。然而，细胞污染物和组织生长仍是植入式ISF设备面临的重要挑战。为解决这些问题，本文提出了一种基于蒸汽的多孔涂层技术，该技术能够在镍钛合金（nitinol）管的内部腔体中形成机械强度高且结构均匀的多孔层。从生化角度来看，这种涂层能够阻止细胞或组织进入多孔结构，同时确保ISF的过滤性能。通过系统研究多孔涂层的分子传输能力，研究人员使用多种模型探针分子，以深入理解这些涂层中分子扩散动力学和传输现象。此外，通过体外和体内评估，验证了多孔涂层中生物分子的传输效果。值得注意的是，当将多孔的nitinol管用于过滤时，对于大于500纳米的颗粒，其过滤效率超过了80%，而对于大于1000纳米的颗粒，过滤效率则达到了98%以上。

ISF作为生物分子诊断的媒介，具有微创性，能够反映系统性的生理状态，并且包含如葡萄糖、蛋白质和电解质等分析物。与传统血液采样相比，提取ISF可以避免穿刺带来的疼痛、凝血和感染风险。随着可穿戴生物传感技术的发展，ISF的高效和长期采集成为实现可靠连续监测的关键因素。尽管微针技术和其他微创方法已经取得了显著进展，但仍然面临维持表皮耦合、减少局部炎症反应以及避免长期皮肤刺激等问题。因此，尽管植入式ISF收集设备在初始植入时更具侵入性和成本，但它们在降低维护需求、延长操作寿命和提升患者依从性方面具有独特优势。基于这些优势，研究人员被鼓励通过改进材料、提升生物相容性以及优化传感器性能，推动植入式生物传感器的发展。为了实现植入式ISF收集平台的全部潜力，必须仔细设计设备与生物组织之间的物理界面。具体而言，收集界面不仅要允许目标生物分子的被动传输，还应具备抗生物污染、抗纤维组织生长和抗颗粒污染的能力。在众多材料中，镍钛合金因其优异的生物相容性、形状记忆行为和超弹性机械性能，被广泛认为是ISF收集的理想基底。

然而，由于ISF中存在悬浮的细胞成分，如免疫细胞和血管外红细胞，尤其是在手术植入后，仍然存在重大挑战。此外，纤维组织沿ISF收集路径的生长会严重降低设备的过滤效率和使用寿命，尤其是对易受颗粒干扰的传感模式，如光学传感器而言。研究人员假设，将多孔聚合物材料与穿孔的nitinol管结合，能够选择性地允许目标生物分子通过，同时阻止组织生长和颗粒污染，同时保留nitinol框架的卓越机械强度。然而，传统的将多孔结构异质集成到金属基底的方法往往在生理条件下表现出较差的界面粘附性、机械不匹配以及层间剥离等问题。

为克服这些限制，研究人员开发了一种原位蒸汽聚合方法，能够在nitinol管的内部腔体中实现多孔层的坚固集成。该方法通过同时升华和沉积，直接形成一个耐用、均匀且具有多尺度多孔结构的涂层，与nitinol基底机械结合，从而在保持过滤性能的同时，确保机械耐久性。制造策略依赖于蒸汽相处理过程中逆向质量流，其中水分子的向外升华和聚合物前体的向内沉积在蒸汽-固体界面相遇，从而触发形成一个相互连接的多孔网络。此外，为了系统研究制造的涂层的分子通道特性，研究人员使用了油包水乳液模型，以阐明其扩散动力学和受控释放特性。为了验证这些多孔涂层的功能性，研究人员进一步进行了体外和体内评估，包括分子传输、过滤性能和组织反应，从而证明了这种蒸汽工程的ISF微过滤系统的实际可行性。

这种ISF收集策略具有多个优势：首先，利用生物相容性优异的nitinol支架与美国药典（USP）认证的聚对二甲苯聚合物进行多孔涂层的构建；其次，通过无溶剂的蒸汽工艺，形成了均匀且无粘合剂的多孔结构；最后，在长期植入过程中，能够同时实现高过滤效率和抑制组织生长。通过这种多孔涂层的构建，不仅能够实现对目标生物分子的有效传输，还能有效防止细胞污染和组织侵入。这些特性使得该平台在分子分离、受控释放和植入式生物流体收集设备中具有广泛的适用性和转化潜力。

为了进一步验证这些多孔涂层的性能，研究人员进行了体外和体内过滤测试。体外测试中，使用了包含特定尺寸颗粒的氧化铝悬浮液，通过控制流速将其通过多孔过滤器，并通过动态光散射和重力分析测量上下游溶液中的颗粒浓度。结果表明，对于尺寸大于500纳米的颗粒，多孔涂层的过滤效率超过了80%，而对于大于1000纳米的颗粒，过滤效率甚至达到了98%以上。这种高过滤效率与颗粒尺寸分布和多孔结构的深度过滤机制相一致，即通过筛分、拦截和吸附等多种方式实现对颗粒的排除。相比之下，表面过滤只能在表面阻止颗粒，容易在富含颗粒的流体中迅速发生堵塞。而深度过滤能够通过多孔结构内部的保留材料，提供持续的过滤性能。

在体内测试中，研究人员将多孔涂层与穿孔的nitinol管植入大鼠的皮下组织，以评估其在实际生物环境中的过滤性能和生物相容性。植入后7天，收集的ISF占据了管内体积的57%±16.8%，并且观察到ISF清澈无颗粒，进一步支持了多孔涂层在生物流体过滤中的有效性。对照组中未使用多孔涂层的穿孔nitinol管则表现出显著的纤维组织生长，导致管内腔体被填充，最终终止ISF的收集。而实验组中的多孔涂层则有效抑制了组织生长，保持了腔体的通畅，使得ISF能够持续收集并进行下游的光学分析。这一发现表明，多孔涂层能够作为物理和生物屏障，有效防止在植入过程中不期望的细胞侵入。

观察到的抗增殖效应可能归因于两个协同作用的因素。首先，所设计的多孔结构具有比细胞穿透所需的尺寸更小的孔径，从而在物理上限制了组织的侵入。其次，所使用的涂层材料——聚对二甲苯（Parylene）具有化学惰性，已被报道能够抑制围绕裸金属植入物常见的炎症反应和纤维化包埋。综上所述，这种多孔涂层结合了三维互联的结构和生物材料的惰性，实现了双重功能：支持分子的传输，同时防止生物污染和组织过度生长。这些特性使得该平台在分子分离、受控释放和植入式生物流体收集设备中具有广泛的适用性和转化潜力。

在制造过程中，研究人员采用了多步骤的工艺，包括冰模板的制备、蒸汽聚合和结构表征。首先，通过将油红O染料溶解在DCM中的PLGA溶液中，并与PVA和CNF溶液混合，形成了用于单相释放的冰模板。对于双相释放系统，研究人员将水相（如酒石黄）封装在油相（如油红O）中，并进一步嵌入到外部水相中，以构建W/O/W的多级结构。通过高速搅拌和低温处理，确保了冰模板的均匀形成。随后，将这些冰模板放置在化学气相沉积（CVD）设备中，通过真空环境和特定温度条件，实现了对多孔结构的形成。CVD设备由三个主要区域组成：升华区、裂解区和沉积区，通过精确控制各阶段的温度和时间，实现了对涂层结构的调控。

在制造过程中，研究人员还利用实时质谱分析仪器对蒸汽组成进行了监测，以确保制造过程中的气体流动符合预期的化学反应路径。此外，通过光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）对样品的形态和内部结构进行了详细表征。SEM图像显示了多孔结构的均匀分布和三维互联特性，进一步验证了制造过程的有效性。通过荧光显微镜，研究人员能够观察到不同相位的分布情况，包括油相和水相，以确保分子在涂层中的封装和释放路径符合设计预期。

在体外分子释放实验中，研究人员使用了pH 7.4的磷酸盐缓冲液（PBS）作为释放介质，并通过紫外-可见分光光度计测量了释放物的吸收光谱，以确定其浓度。释放实验在37°C的水浴中进行，溶液以100 rpm的速度搅拌，以确保均匀释放。实验结果表明，多孔涂层能够实现分阶段释放，包括初始快速释放和随后的持续释放，这与涂层中不同分子的扩散路径和聚合物降解动力学有关。通过Korsmeyer–Peppas模型对释放动力学进行了分析，该模型被广泛用于描述多孔和聚合物材料中分子的释放过程。结果显示，释放指数n的值为0.5953，表明非费克扩散（anomalous transport）占主导地位，这与之前的研究结果一致。

此外，研究人员还通过汞渗透法测量了多孔材料的孔径分布，以确保孔径大小符合过滤需求。结果显示，多孔结构主要由微米级的孔组成，这些孔径既足够小以防止细胞或纤维组织的侵入，又足够大以允许分子的扩散和过滤。这些参数对于过滤性能至关重要，较高的孔隙率和良好的孔道连通性有助于降低液压阻力并提升整体过滤效率。

在体内实验中，研究人员对植入大鼠皮下的设备进行了长期观察，以评估其生物相容性和抗污染能力。结果显示，使用多孔涂层的设备能够有效防止组织生长，保持内部腔体的通畅，从而支持ISF的持续收集。相比之下，未使用多孔涂层的设备则表现出明显的组织侵入，导致腔体堵塞，影响ISF的收集效果。这些实验结果进一步验证了多孔涂层在实际应用中的有效性和安全性。

综上所述，这项研究开发了一种基于蒸汽的多孔涂层技术，能够有效解决植入式ISF收集设备中细胞污染和组织生长的问题，同时保持良好的过滤性能和机械强度。该技术的创新之处在于利用无溶剂的蒸汽相工艺，实现均匀且无粘合剂的多孔结构，使得设备在长期使用中具有优异的稳定性和功能性。通过精确控制制造参数，研究人员成功构建了具有分阶段释放特性的多孔涂层，这为未来的生物传感和诊断设备提供了新的思路和解决方案。这种多孔涂层不仅适用于ISF收集，还可能在分子分离、受控释放和生物流体处理等领域发挥重要作用。