通过电泳沉积技术制备的仿珍珠母结构的层次化壳聚糖/羟基磷灰石涂层

《Applied Nursing Research》：Bioinspired nacre-like hierarchical chitosan/hydroxyapatite coatings by electrophoretic deposition

本研究采用电泳沉积法成功制备了具有贝壳层级结构的壳聚糖/羟基磷灰石涂层，其弹性模量达12 GPa，并显著促进细胞增殖，为生物医学涂层开发提供了新途径。

　　

Fatih E. Ba?tan | M. Asim Akhtar | Anna Krapf | Judith Roether | Ana M. Beltrán | Mathias G?ken | Aldo R. Boccaccini

热喷涂研发实验室，冶金与材料工程系，萨卡里亚大学，埃森特佩校区，54050，土耳其

摘要

珍珠独特的微观结构排列，即有机分子和无机颗粒的层次化交替堆叠，使其具备超越传统混合规则预测的优异机械性能。在本研究中，我们通过电泳沉积（EPD）技术制备了有序的壳聚糖（CS）/羟基磷灰石（HA）涂层，模仿了珍珠的层次化结构。为了构建这种层次结构，我们使用了定向在（100）平面上的HA颗粒，从而无需使用传统的二维模板。所得涂层具有由CS分子介导的有序分层结构（HA颗粒占比64–86 wt.%），从而实现了更高的弹性模量（12 GPa）和相对较好的耐磨性。该涂层还为快速形成磷灰石和促进成骨细胞增殖提供了理想平台。7天后，涂层上的细胞数量几乎是纯不锈钢表面的两倍。这种优异的机械性能和出色的体外表现得益于模仿珍珠的设计。本研究为在电泳沉积的生物医学涂层中扩展珍珠结构的应用开辟了新途径。

引言

天然材料往往兼具相互矛盾的特性（例如高刚度与优异的强度），这通常得益于无机和有机成分的复杂多方向结构[1]。与骨骼的精密设计不同，某些软体动物壳中的珍珠采用了由文石层与薄有机层交替组成的明确层次结构[2]。这种层次化结构将原本脆弱的成分转化为韧性远超非层次化结构的复合材料[3]。宽度为5–8 μm、厚度为0.5 μm的文石层与20–30 nm厚的有机层结合，共同赋予珍珠强度和延展性[4]。从宏观到纳米尺度的精确设计通过裂纹偏转、裂纹桥接、应变硬化、能量吸附或耗散等多种机制减轻损伤[5]。因此，开发模仿珍珠结构的仿生技术受到了广泛关注，旨在为高性能复合材料开辟新方向[6]。

珍珠的微观结构可通过多种方法实现，例如冷冻铸造、逐层组装和电泳沉积（EPD）[7]。通过这些技术制备的1D至3D层次化合成复合材料展现出良好的机械性能[4]。鉴于电泳沉积技术的优势（简单性、快速沉积、可扩展性和低温处理能力[8]），它成为制备类珍珠薄膜的便捷方法。然而，目前关于仿珍珠材料电泳沉积的研究尚不充分。尽管带电颗粒可通过EPD轻松沉积在电极上，但只有找到合适的悬浮液和电场参数后才能构建出层次化涂层。在仿珍珠材料的EPD过程中，已尝试了多种陶瓷颗粒与聚合物材料的组合。据我们所知，Wang及其同事首次发表了关于类珍珠涂层（聚丙烯酰胺/粘土）的电泳沉积研究[9]，随后Jian等人引入了与聚乙烯亚胺[11]或聚乙烯醇[12]共沉积的 gibbsite 基涂层。同一研究团队还通过改性颗粒（使用TPM[13]或二氧化硅层[14]）改善了涂层与聚合物基体的界面性能，从而提升了薄膜的拉伸强度和刚度。

除了机械性能外，珍珠的层次结构还增强了涂层的耐腐蚀性，即使涂层中包含随机分布的颗粒。通过阻挡和偏转腐蚀介质的渗透，涂层的腐蚀速率得以降低[13,14]。近年来，电泳沉积技术的应用范围已扩展到制备具有陶瓷层的类珍珠块状金属材料[15,16]。

近年来，电泳沉积的生物聚合物（壳聚糖、海藻酸盐、明胶等）基复合涂层被提出作为需要高温处理的纯陶瓷生物医学涂层的替代品[17]。高温处理会损害基材的机械性能，并导致涂层界面发生离子交换。然而，生物聚合物基涂层可通过电泳沉积在室温下制备，无需后续热处理[18]。因此，这些涂层可以通过添加治疗性成分来进一步功能化，从而促进细胞活性或抑制细菌附着[19,20]。然而，仍需提高生物聚合物基涂层的机械性能以解决其耐久性不足的问题[17]。基于此，我们尝试在壳聚糖/羟基磷灰石（CS/HA）混合涂层中实现珍珠的层次结构，采用了考虑多种工艺参数和悬浮液组成的电泳沉积方法。据作者所知，这是首次利用电泳沉积技术制备用于生物医学应用的类珍珠壳聚糖基复合涂层的研究。

与其他使用平板模板[21]或磷酸钙颗粒[22]来构建层次化CS/HA结构的研究不同，我们合成了独特的HA颗粒，模拟了珍珠中由有机层粘合的文石层。选择HA颗粒作为仿珍珠结构的原因在于其作为骨植入物的关键生物陶瓷材料，具有生物活性、骨传导性和长期稳定性[23]。HA颗粒具有各向异性表面电荷，这使得可以沉积定向的层状结构。我们采用电泳沉积方法，使硬质HA颗粒与CS分子有序共沉积。通过控制悬浮液和电泳参数，可以调控涂层的质量及其相关的机械和生物性能。为了找到最佳的CS/HA涂层参数，我们采用了田口实验设计（DoE）方法，分析了悬浮液的性质和涂层的形态/取向，并将涂层的机械性能及细胞活性与层中CS/HA的比例进行了关联。

结果与讨论

如实验步骤部分所述，电泳沉积悬浮液含有不同浓度的CS（0.125–0.5 g/l）和HA（0.25–1.0 g/l）。因此，这些悬浮液及其对应的涂层分别用CS和HA浓度进行标记。例如，0.125CS表示含有0.125 g/l CS的纯CS涂层，而0.125CS/HA则同时包含HA颗粒。

结论

本研究通过电泳沉积成功制备了类珍珠的层次化、定向CS/HA涂层，其中HA颗粒被CS分子包裹形成分层结构。我们推测沉积过程主要受CS分子及其在HA颗粒表面的选择性吸附控制。CS在HA颗粒（100）面上的优先吸附使得电荷密度在特定区域集中，从而确保了涂层的优异性能。

HA颗粒的合成

在之前的研究中[29]，我们通过沉淀法制备了平板状羟基磷灰石颗粒，通过缓慢升高pH值至7.2来控制反应速率，从而获得尺寸为21–688 nm、厚度为10–20 nm的纯相等轴/矩形HA颗粒。清洗和烘干后，这些颗粒可直接用于沉积，无需进一步纯化或煅烧。

CRediT作者贡献声明

Fatih E. Ba?tan： 文章撰写、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建。 M. Asim Akhtar： 实验研究。 Anna Krapf： 实验研究。 Judith Roether： 实验研究。 Ana M. Beltrán： 实验研究。 Mathias G?ken： 文章撰写、审稿与编辑、数据分析、概念构建。 Aldo R. Boccaccini： 文章撰写、审稿与编辑、资源协调、概念构建。