在PEO处理过的锌植入物上制备的载有吡罗昔康的羟基磷灰石/壳聚糖涂层的体外耐腐蚀性和细胞相容性

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：In-vitro corrosion resistance and cytocompatibility of piroxicam-loaded hydroxyapatite/chitosan coating prepared on PEO-treated zinc implant

本研究的目的是通过表面工程优化锌基植入物的耐腐蚀性和生物相容性。采用PEO处理并在其上涂覆羟基磷灰石/壳聚糖复合涂层，负载抗炎药物吡罗克司胺。实验表明，该涂层在正常和炎症介质中表现出优异的耐腐蚀性，药物释放符合Korsmeyer-Peppas模型，并促进了MC3T3-E1细胞的附着、存活和增殖，证实了其在骨再生和局部药物递送中的潜力。

　　锌合金因其可降解性、适中的腐蚀速率以及良好的机械性能，成为生物可降解植入物的潜在材料。然而，其在生物环境中易发生局部腐蚀，且生物相容性较差，这限制了其在临床中的应用。为了解决这些问题，本研究提出了一种多功能的羟基磷灰石/壳聚糖复合涂层，该涂层负载了消炎药物吡罗昔康，应用于等离子体电解氧化（PEO）处理后的锌基材料表面，以提高其在体外环境下的耐腐蚀性能和生物特性。

研究结果显示，PEO处理后的锌在正常模拟体液（SBF）中，其极化电阻从2.45 kΩ·cm2提升至12.31 kΩ·cm2，这表明羟基磷灰石/壳聚糖复合涂层显著增强了锌基材料的耐腐蚀能力。而在炎症环境下的SBF中，该涂层的性能仅下降了约25%，说明其在炎症条件下仍能保持较好的稳定性。这种稳定性对于生物可降解植入物的长期功能至关重要，尤其是在植入初期可能面临的炎症反应中。

在药物释放方面，羟基磷灰石/壳聚糖复合涂层表现出良好的释放特性。初始阶段，该涂层以脉冲式释放了31%的吡罗昔康，随后药物释放速率趋于稳定，形成持续释放的效果。这种释放模式对于实现局部药物输送具有重要意义，因为它可以确保药物在需要的地方以适当的速率释放，从而提高治疗效果，同时减少对其他器官的潜在毒性。

药物释放动力学符合Korsmeyer-Peppas模型，这表明药物释放过程具有一定的扩散控制特性。模型参数表明，该复合涂层在释放速率上处于PEO处理后的锌（快速释放）和纯壳聚糖层（缓慢释放）之间的最佳平衡点，使得药物能够有效、可控地释放，同时保持植入物的结构完整性。

此外，将羟基磷灰石纳米颗粒嵌入壳聚糖层中，显著改善了涂层的生物活性。实验表明，该复合涂层促进了MC3T3-E1成骨细胞的附着、存活和增殖，从而提高了植入物的生物相容性。这种改善不仅有助于植入物与周围组织的整合，还能够促进骨组织的再生，使其在生物医学领域具有更大的应用潜力。

在PEO处理过程中，锌基材料表面形成了具有多孔结构的氧化层。这种多孔结构不仅为药物的局部释放提供了空间，还为骨细胞的生长提供了适宜的环境。因此，PEO涂层可以作为生物可降解植入物的外层或内层，分别起到促进骨整合和增强其他材料性能的作用。然而，尽管PEO技术在生物可降解植入物的制备中具有优势，但其在临床应用中仍需进一步研究，以满足更严格的要求。

为了控制PEO层的降解速率，特别是在植入初期可能面临的炎症条件下，研究人员提出了一种覆盖涂层的方法。通过在PEO处理后的锌表面覆盖天然聚合物层，可以有效提高植入物的稳定性，使其在体内环境中保持更长的使用寿命。例如，一些研究已经探索了不同类型的聚合物涂层，如有机环氧涂层、含有磁铁矿掺杂的铜氧化物涂层以及含有氧化锌纳米颗粒的涂层，这些涂层在石油和海洋工业中被用于保护金属基体免受腐蚀环境的影响。

壳聚糖作为一种生物可降解且无细胞毒性的天然多糖，可以作为有效的屏障，延缓PEO层的降解。当壳聚糖与生物相容性良好的羟基磷灰石颗粒复合时，其生物性能得到显著提升。这种复合材料不仅能够加速体内羟基磷灰石层的形成，还能增强细胞的附着、增殖和分化能力。此外，壳聚糖本身具有天然的抗菌特性，能够有效抑制细菌的生长，从而提高植入物的抗菌性能。

在本研究中，通过将羟基磷灰石/壳聚糖复合涂层负载吡罗昔康应用于PEO处理后的锌基材料，研究人员发现该涂层能够有效提高植入物的耐腐蚀性能和生物相容性。通过综合比较PEO涂层作为无聚合物涂层系统和覆盖有纯聚合物或复合聚合物涂层的PEO涂层在物理化学性质、正常和炎症环境下的腐蚀行为、药物释放动力学、生物活性以及细胞行为方面的差异，研究人员首次全面评估了这些涂层对生物可降解植入物性能的影响。

该研究的结果表明，通过表面工程手段，可以有效提高锌基合金的耐腐蚀性能和生物相容性，使其更适用于生物可降解植入物。特别是，羟基磷灰石/壳聚糖复合涂层的引入，不仅提高了药物的可控释放能力，还增强了植入物与周围组织的整合能力，使其能够在植入初期有效缓解炎症反应，同时促进骨组织的再生。这种综合性能的提升，使得该材料在未来的生物医学应用中具有更大的潜力。

在实验过程中，研究人员首先制备了纯锌片作为基体材料，随后通过PEO处理在其表面形成氧化层。处理后的锌片经过切割、打磨、抛光以及超声波清洗，确保其表面清洁和均匀。接下来，研究人员通过不同的涂层方法制备了三种类型的涂层系统。第一种是通过PEO处理在锌基体表面形成氧化层，并在其中负载吡罗昔康作为消炎药物模型。第二种是将纯壳聚糖层负载吡罗昔康，作为纯聚合物药物载体系统。第三种是将羟基磷灰石/壳聚糖复合层负载吡罗昔康，以提高生物相容性。通过这些实验，研究人员能够系统地评估不同涂层系统对锌基材料性能的影响。

在涂层的形态和化学组成方面，研究人员使用扫描电子显微镜（FESEM）和能量色散光谱（EDS）分析了样品表面的微观结构和元素组成。结果显示，PEO处理后的锌表面形成了具有多孔结构的氧化层，这些孔洞为药物的局部释放提供了通道，同时也为骨细胞的附着和生长提供了适宜的环境。此外，涂层的化学组成对其生物活性和药物释放行为具有重要影响，研究人员通过分析涂层的元素分布，进一步优化了其组成比例。

在实验结果的分析中，研究人员发现羟基磷灰石/壳聚糖复合涂层能够显著提高锌基材料的耐腐蚀性能，同时促进骨细胞的附着和增殖。这种改善不仅有助于植入物的长期稳定性，还能确保其在体内环境中持续发挥生物功能。此外，药物的释放行为符合Korsmeyer-Peppas模型，表明该涂层能够实现药物的可控释放，从而提高治疗效果。

本研究的结论表明，通过表面工程手段，特别是使用羟基磷灰石/壳聚糖复合涂层，可以有效提高锌基合金的耐腐蚀性能和生物相容性，使其更适用于生物可降解植入物。这种多功能涂层不仅能够缓解植入初期的炎症反应，还能促进骨组织的再生，从而提高植入物的整体性能。未来，随着对生物可降解材料研究的深入，这种涂层技术有望在更广泛的临床应用中发挥重要作用。

本研究的创新点在于首次将羟基磷灰石/壳聚糖复合涂层应用于PEO处理后的锌基材料，并系统地评估了其在不同环境下的性能。通过比较不同涂层系统，研究人员能够明确该复合涂层在提高生物可降解植入物性能方面的优势。此外，该研究还探讨了药物释放动力学与涂层性能之间的关系，为未来开发更高效的药物输送系统提供了理论依据。

在实际应用中，这种多功能涂层技术可以用于多种生物可降解植入物，如骨固定装置、药物输送系统以及组织工程支架。通过优化涂层的组成和结构，研究人员能够进一步提高其性能，使其在复杂的生物环境中保持稳定。此外，该技术还可以与其他材料结合，以实现更广泛的功能，如增强抗菌性能、促进组织再生等。

本研究的结果表明，通过表面工程手段，可以有效提高生物可降解植入物的性能，使其在临床应用中更具优势。未来，随着对生物材料研究的不断深入，这种涂层技术有望在更广泛的领域中得到应用，为生物医学工程的发展提供新的思路和方法。