一种在海水中合成的CaTiO3中间层包裹的藻酸盐水凝胶涂层，应用于钛材表面

《Surfaces and Interfaces》：Alginate hydrogel coating with hydrothermally synthesized CaTiO 3 interlayer on titanium

制备了CaTiO3水热合成层与钙离子交联的Alginate水凝胶双层涂层系统，显著提升了钛植入体的骨整合性能。涂层结合了无机陶瓷的生物活性和水凝胶的仿生微环境，表面能测试显示水凝胶层具有优异亲水性（接触角<10°），压缩模量2.87±1.32 GPa。电化学分析表明Alginate层降低开路电位（-0.58 V vs. -0.35 V）和腐蚀电位（-0.68 V vs. -0.55 V），同时提高腐蚀电流密度（1.85×10^-6 A/cm2 vs. 1.32×10^-6 A/cm2）。体外细胞实验证实双层涂层使MC3T3-E1成骨细胞吸附量提高37.2%，较单层CaTiO3涂层和抛光钛基体分别提升21.5%和54.8%。该复合涂层技术为骨植入体表面改性提供了创新解决方案。

　　

S. Naeem | M. Saqib | J. Busumabu | L. Xie | P.W. Shum | T. Fu

中国西安交通大学生命科学与技术学院，教育部生物医学信息工程重点实验室，西安 710049

摘要

为了提高钛植入物的骨整合性能，制备了一种由水热合成的CaTiO₃和浸涂海藻酸盐水凝胶组成的双层涂层系统。通过XRD、拉曼散射、FT-IR光谱和SEM-EDX对制备的涂层样品进行了表征。结果表明，水热合成的涂层由结晶态的CaTiO₃和少量的CaCO₃组成。海藻酸盐水凝胶涂层通过涂层中的钙离子和CaCl₂溶液发生交联。这些水凝胶涂层具有良好的亲水性和较低的杨氏模量（2.87±1.32 GPa）。海藻酸盐薄膜降低了开路电位和腐蚀电位，并增加了腐蚀电流密度，但并未影响经水热处理的钛的钝化效果。使用MC3T3-E1细胞进行的体外细胞粘附实验表明，与抛光钛和CaTiO₃涂层样品相比，复合涂层样品上的成骨细胞附着效果更好。这种双层CaTiO₃/海藻酸盐水凝胶涂层有望加速钛植入物的骨整合过程。

引言

由于其生物相容性、耐腐蚀性和机械强度，钛及其合金仍然是骨科和牙科植入物的首选材料。尽管钛本身具有惰性，但仍需要对其进行表面改性以增强其物理化学和生物学性能，从而有效用作骨植入材料[1,2]。改性钛植入物的目标是提高骨整合效果，即骨头与植入物之间的结合过程，同时降低感染风险[1,3]。实现稳定的骨整合需要优化植入物-骨头界面的生物活性（骨结合）和生物力学相容性（载荷传递）[4]。

在各种涂层技术中，水热涂层为功能性生物医学钛材料提供了一种独特且多功能的方法[1,5]。通过控制温度、时间和前体化学物质的参数，该方法能够在低温下精确沉积粘附性的陶瓷薄膜（如TiO₂、CaTiO₃和磷酸钙）[6,7]。CaTiO₃涂层特别有前景，因为它们具有促进羟基磷灰石成核、成骨细胞粘附和骨形成的活性[6,8]。然而，这些无机涂层缺乏天然骨细胞外基质（ECM）的动态微环境，这促使人们将其与水凝胶结合进行研究[9]。

像海藻酸盐这样的水凝胶能够模拟ECM的水合性和多孔性，支持细胞渗透和生物活性分子的释放[10,11]。最近，生物陶瓷（磷酸钙、CaTiO₃等）、蛋白质和抗菌剂被整合到水凝胶中，以协同发挥机械和生物学功能[12,13]。通过葡萄糖-δ-内酯（GDL）[12]或CaCl₂溶液水解释放的钙离子对海藻酸盐进行可调节的交联，可以实现可控的降解和药物释放，从而解决钛植入物固位不良和感染等问题[14,15]。这种多功能方法具有重要的临床潜力，因为它可以通过加速骨整合和降低感染风险来减少高风险人群（如老年人或骨质疏松患者）的植入物失败率[16,17]。

本研究设计并开发了一种用于钛植入物的双层涂层系统，以解决其在骨再生方面的现有局限性：（1）使用水热合成的CaTiO₃作为中间层以增强骨活性和机械互锁；（2）使用交联的海藻酸盐水凝胶作为顶层涂层以模拟天然骨细胞外基质。对这些涂层进行了结构表征、润湿性测试、机械性能测试、耐腐蚀性测试以及体外细胞粘附实验。这种复合涂层策略对于那些需要加速骨整合才能确保钛植入物成功应用的特定人群具有重要的临床意义。

章节摘录

钛样品的水热处理

尺寸为10×10×1.2 mm³的TA2级钛片经过抛光、超声清洗后，在空气中干燥（标记为样品PL）。将抛光后的样品放入含有Ca(NO₃)₂·4H₂O和NaOH的水溶液中，在20 mL高压釜中进行水热处理（填充比为75%）。两个样品通过PTFE夹具背靠背放置在高压釜中。处理温度分别为150°C或180°C，处理时间为1小时或3小时。处理完成后，样品...

水热处理样品的结构和组成

经过水热处理后，具有金属光泽的抛光钛片变为灰色，表明形成了陶瓷涂层。这些涂层具有很强的附着力，无法用胶带剥离。为了揭示涂层的相结构，使用XRD对样品进行了分析（图1）。仅样品S150显示出钛的峰，表明其薄膜厚度较小或结晶度较低。对于其他样品，还观察到了CaTiO₃（ICDD #42-0423）和CaCO₃的峰...

结论

钛表面的水热合成涂层由CaTiO₃和少量的CaCO₃组成。通过CaCl₂溶液交联的海藻酸盐水凝胶具有良好的亲水性和较低的杨氏模量（2.87±1.32 GPa）。海藻酸盐薄膜降低了开路电位和腐蚀电位，并增加了腐蚀电流密度，但并未影响经水热处理的钛的钝化效果。与单一涂层相比，双层涂层样品上的MC3T3-E1细胞粘附效果更好...

CRediT作者贡献声明

S. Naeem：撰写——初稿、验证、方法论、研究、数据管理、概念构思。 M. Saqib：方法论、研究、形式分析。 J. Busumabu：方法论、研究。 L. Xie：监督、资源获取、资金申请。 P.W. Shum：撰写——审稿与编辑、资源管理、概念构思。 T. Fu：撰写——审稿与编辑、资源管理、项目管理、研究、资金申请、数据管理、概念构思。

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

本研究得到了国家重点研发计划（编号：2023YFF1105302）、陕西省自然科学基金（编号：2021JM-036）和西安市科技计划（编号：2025JH-YXYJZD-0034）的支持。作者感谢西安交通大学仪器分析中心的F.C. Tan女士提供的FT-IR分析帮助。