原位电泳沉积（EPD）及反溶剂沉淀法制备载单宁酸的玉米醇溶蛋白颗粒、掺铜生物活性玻璃和羧甲基纤维素钠涂层，用于骨科应用

《Progress in Materials Science》：In-situ electrophoretic deposition (EPD) and anti-solvent precipitation of tannic acid-loaded zein particles, copper-doped bioactive glass, and sodium carboxymethyl cellulose coatings for orthopedic applications

钛植入物表面通过反溶剂沉淀与电泳沉积一步法制备多组分涂层，包含茶多酚负载的zein颗粒和铜掺杂生物活性玻璃（CuBG），以羧甲基纤维素（CMC）为基质。结果显示涂层具有良好细胞相容性（MC3T3-E1成骨细胞）和协同抗菌活性（针对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌），可促进骨整合并抑制感染。

　　这项研究致力于开发一种新型的多组分生物活性和抗菌涂层，用于钛基植入物的表面改性。传统的抗生素治疗方式虽然在临床中广泛应用，但存在诸如抗生素耐药性、生物膜形成和宿主毒性等严重问题。因此，科学家们开始探索通过在植入物表面应用具有可控药物释放能力的多功能涂层来赋予其抗菌和生物活性特性。本研究提出了一种创新的原位合成方法，结合了反溶剂沉淀和电沉积（EPD）技术，以同时合成和沉积含有鞣酸（TA）负载的玉米醇溶蛋白（zein）微粒以及铜掺杂的生物活性玻璃（CuBG）微粒，并将它们嵌入到以羧甲基纤维素（CMC）为基础的多糖基质中。

这种新型的原位方法相较于传统的多步电沉积法具有显著的优势。传统的电沉积法通常需要先合成载药聚合物微粒，再将其负载药物、冷冻干燥、分散到悬浮液中，最后通过电沉积形成涂层。这一过程不仅耗时且复杂，还可能导致药物释放的不可控性，如初始药物快速释放（burst release）或无法精确控制药物在涂层中的含量。而本研究提出的方法通过一步完成药物负载微粒的合成和沉积，避免了额外的化学试剂使用，仅依赖于涂层基质本身的聚合物前体。这种方法不仅提高了效率，还增强了涂层的可控性和稳定性。

为了确保这种新型涂层的成功制备，研究人员首先对合适的材料进行了选择。玉米醇溶蛋白作为一种来源于植物的蛋白质，因其良好的生物相容性、生物降解性和在水中的不溶性，已被广泛用于制备载药微粒。通过反溶剂沉淀法，玉米醇溶蛋白可以在酒精溶液中溶解，随后被滴入或剪切到反溶剂相（如水）以促使蛋白质分子通过疏水相互作用聚集形成微粒。这一过程的关键在于蛋白质结构从α螺旋向β折叠的转变，以提高微粒的稳定性。然而，玉米醇溶蛋白微粒在接近等电点时容易发生聚集，因为α螺旋结构在pH值变化导致离子化氨基酸带电时会被破坏。

为了解决这一问题，研究者选择了具有多种电荷基团（如羟基、羧基和氨基）的多糖材料——羧甲基纤维素（CMC）作为微粒的稳定剂。CMC不仅具有良好的生物相容性和非毒性，还具备亲水性和生物降解性，使其成为一种理想的纳米颗粒稳定剂。研究结果表明，CMC可以通过调节其电荷状态来提高玉米醇溶蛋白微粒的封装效率和胶体稳定性。当pH值增加至阳极电极附近时，CMC分子链中的负电荷羟基（-OH?）和羧基（-COO?）会被中和，从而形成不溶于水的CMC薄膜。这种薄膜能够有效固定载药微粒，并在植入物表面形成均匀的涂层。

除了玉米醇溶蛋白微粒，研究还引入了铜掺杂的生物活性玻璃（CuBG）微粒，以进一步增强涂层的生物活性和抗菌性能。CuBG微粒的组成包括45 wt% SiO?、24.5 wt% Na?O、22 wt% CaO、6 wt% P?O?和5 wt% CuO，其平均粒径为5 μm。铜离子的掺杂被认为可以赋予涂层多种生物功能，包括潜在的促血管生成、促骨生成和抗菌作用。因此，将CuBG微粒与载药玉米醇溶蛋白微粒结合在CMC基质中，可以形成一种具有协同抗菌作用的多组分涂层。

为了验证这种新型涂层在生物医学领域的适用性，研究人员对涂层的形态、化学组成、润湿性、表面粗糙度、药物释放行为、生物活性、细胞相容性和抗菌性能进行了系统表征。实验结果显示，这种多组分涂层能够在植入物表面实现持久的药物释放，同时诱导生物活性反应。此外，该涂层对预成骨细胞（MC3T3-E1）表现出良好的细胞相容性，并对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）具有协同抗菌作用。这些结果表明，这种新型涂层可以有效提高骨组织的整合能力，并减少植入物周围感染的风险。

在当前的生物医学研究中，钛及其合金因其高比强度、低密度、长疲劳寿命、较低的弹性模量以及顺磁性而被广泛用于植入物材料。然而，金属材料在植入过程中仍然存在一些潜在的问题，如由于表面腐蚀导致的离子释放失控、由于纤维组织包裹导致的长期稳定性下降，以及由于生物膜形成导致的细菌感染持续存在。因此，通过在金属表面沉积涂层来解决这些问题成为一种有前景的策略。本研究正是基于这一背景，旨在开发一种结合了多种生物活性和抗菌功能的多组分涂层，以提升钛基植入材料的性能。

实验过程中，研究人员首先对材料进行了详细的分析。玉米醇溶蛋白（Z3625，分子量22–24 kDa）和羧甲基纤维素（419338，分子量约700 kDa，取代度为0.8–0.95）以及鞣酸（403040，分子量约1701 Da）粉末均来自Sigma-Aldrich公司。乙醇（99%）和PBS片剂则购自VWR公司。此外，研究人员还制备了一种熔融法制备的铜掺杂生物活性玻璃（CuBG）微粒，其组成与上述相同，平均粒径为5 μm。这些材料的选择基于其在生物医学领域的广泛应用和良好的性能表现。

在对载药玉米醇溶蛋白微粒进行表征时，研究人员首先分析了其粒径、胶体稳定性和药物封装效率。通过反溶剂沉淀法，玉米醇溶蛋白微粒能够有效封装鞣酸，从而实现药物的持续释放。同时，CMC基质的引入不仅提高了微粒的稳定性，还增强了其生物活性。实验结果表明，CMC基质能够促进载药微粒的封装，并减少药物的初始快速释放，提高药物在靶部位的生物利用度。此外，CMC基质还能够增强细胞对微粒的摄取，从而提高涂层的生物活性。

为了进一步验证涂层的性能，研究人员对涂层的抗菌活性进行了测试。实验结果显示，含有鞣酸负载玉米醇溶蛋白微粒和CuBG微粒的CMC基质涂层对S. aureus和E. coli表现出显著的协同抗菌作用。这种协同效应可能源于鞣酸和铜离子的共同作用，它们能够破坏细菌的细胞膜，抑制其生长和繁殖。此外，CuBG微粒的引入不仅提高了涂层的抗菌性能，还增强了其生物活性，可能促进成骨细胞的增殖和分化，从而提高骨组织的整合能力。

研究还对涂层的表面特性进行了分析。通过电沉积技术，研究人员能够在钛基植入物表面形成均匀的涂层，提高其表面粗糙度和润湿性。这些表面特性对于细胞的附着和增殖至关重要。实验结果表明，CMC基质涂层能够显著提高钛基植入物的表面粗糙度，从而增强细胞的附着能力。同时，涂层的润湿性也得到了改善，使其更易于与生物组织结合。

在生物医学领域，天然药物因其调节免疫反应和抑制特定酶活性的能力而受到越来越多的关注。鞣酸作为一种非黄酮类水解性单宁的多酚，具有抗菌、抗病毒、抗真菌、抗突变、抗致癌和抗氧化等多种生物活性。因此，研究人员选择将鞣酸作为载药材料，以增强涂层的抗菌性能。通过将TA封装在玉米醇溶蛋白微粒中，研究人员能够实现药物的持续释放，从而延长其抗菌效果。

此外，研究还探讨了铜掺杂生物活性玻璃（CuBG）的生物功能。CuBG微粒的组成使其能够释放铜离子，从而赋予涂层多种生物功能，包括促血管生成、促骨生成和抗菌作用。这些生物功能对于促进组织修复和防止感染至关重要。实验结果表明，CuBG微粒的引入不仅提高了涂层的抗菌性能，还增强了其生物活性，可能促进成骨细胞的增殖和分化，从而提高骨组织的整合能力。

为了确保实验的可重复性和可靠性，研究人员采用了多种表征手段，包括扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）和细胞毒性测试。SEM图像显示，CMC基质涂层能够均匀覆盖钛基植入物表面，形成具有多孔结构的涂层。XPS分析进一步确认了涂层的化学组成，表明CMC基质能够有效固定载药微粒和CuBG微粒。细胞毒性测试则表明，这种多组分涂层对MC3T3-E1细胞表现出良好的细胞相容性，没有明显的细胞毒性。

在实际应用中，这种新型涂层具有广泛的前景。由于其能够实现药物的持续释放，且避免了传统抗生素治疗带来的耐药性和毒性问题，因此在临床中可能成为一种理想的抗菌涂层。此外，由于其良好的生物活性，这种涂层可能促进骨组织的整合，提高植入物的长期稳定性。因此，这种多组分涂层不仅能够提高钛基植入材料的性能，还可能在未来的生物医学工程中发挥重要作用。

为了进一步推广这种新型涂层的应用，研究人员还对实验条件进行了优化。通过调整反溶剂沉淀和电沉积的参数，如反溶剂的种类、浓度、电沉积电压和时间，研究人员能够控制涂层的厚度、均匀性和药物释放速率。实验结果表明，优化后的实验条件能够显著提高涂层的性能，使其更适用于临床应用。此外，研究人员还探讨了不同药物负载量对涂层性能的影响，发现适当的药物负载量能够提高涂层的抗菌效果，同时避免药物释放过量导致的毒性问题。

综上所述，这项研究提出了一种创新的原位合成方法，结合了反溶剂沉淀和电沉积技术，以同时合成和沉积含有鞣酸负载的玉米醇溶蛋白微粒以及铜掺杂的生物活性玻璃微粒，并将其嵌入到CMC基质中。这种多组分涂层不仅能够实现药物的持续释放，还能够诱导生物活性反应，提高骨组织的整合能力，并减少植入物周围感染的风险。实验结果表明，这种新型涂层在生物医学领域具有广泛的应用前景，可能成为一种理想的抗菌和生物活性涂层。