多功能Nylon/CS/HAp/TiO2杂化生物涂层增强316 L不锈钢植入体长期耐蚀性与细胞响应

《Materials Today Communications》：Multifunctional hybrid Nylon/Chitosan/Hydroxyapatite/TiO? biocoatings for enhanced corrosion protection and cellular response of 316L stainless steel implants

　　

尽管已为金属植入体开发了多种聚合物和陶瓷涂层，但在维持有利免疫响应的同时实现长期腐蚀防护仍是一项重大挑战。本研究开发并评价了通过浸涂（dip-coating）沉积于316 L不锈钢（316 L stainless steel，316 L SS）上的多功能杂化聚酰胺（nylon，PA）/壳聚糖（chitosan，CS）/羟基磷灰石（hydroxyapatite，HAp）/二氧化钛（titanium dioxide，TiO₂）生物涂层，以提高植入应用中的耐蚀性和生物学性能。采用扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）、力学测试、RAW-Blue巨噬细胞（RAW-Blue macrophages）细胞活力测定、核因子κB（nuclear factor κB，NF-κB）活化分析以及在Hank溶液（Hank’s solution）中120 d的电化学评价，对PA84%/CS10%/HAp5%/TiO₂1%和PA89%/CS5%/HAp5%/TiO₂1%两种配方进行了表征。涂层呈现均匀多孔形貌，表明聚合物基体与陶瓷相之间实现整合。伴随该微结构，细胞活力接近98%，而NF-κB活化相对于炎症对照保持在低水平，表明其细胞响应与生物医学应用相容。尽管CS、HAp和TiO₂的引入相对于纯PA降低了力学性能，但杂化生物涂层仍保持适用于柔性涂层应用的延性和回弹性，其中PA84%/CS10%/HAp5%/TiO₂1%在复合材料中表现出最佳平衡。电化学测试表明，与未涂层316 L SS相比，腐蚀防护增强。在评价体系中，PA84%/CS10%/HAp5%/TiO₂1%表现最佳，在浸泡120 d后具有最低的腐蚀电流密度（3.00E-07 mA/cm²）和最高的阻抗模值（90372 Ω·cm²）。该行为归因于多功能保护层，其通过涂层-被动层协同作用结合了屏障效应、界面稳定性和扩散控制的离子传输。这些结果表明PA/CS/HAp/TiO₂生物涂层具有增强金属植入体长期腐蚀防护和生物相容表面的潜力。

**研究背景与目的**
材料科学进步推动了先进聚合物、纳米材料和多孔杂化生物材料在生物医学植入体中的应用。金属材料具有较高结构强度，但常呈生物惰性；钛（Ti）和不锈钢（SS）等传统金属植入体在生理环境中可能腐蚀并释放金属离子，进而引起炎症、不良免疫响应、局部毒性，甚至长期植入体松动或失效。虽然已有多种聚合物和陶瓷涂层用于金属植入体，但兼具长期腐蚀防护和有利免疫响应仍具挑战。基于此，研究人员制备并评价了沉积于316 L SS的PA/CS/HAp/TiO₂杂化生物涂层，比较两种CS含量配方，在Hank’s溶液中开展最长120 d的电化学测试，并结合力学性能、涂层附着、RAW-Blue巨噬细胞细胞活力和炎症响应，以判断聚合物相与陶瓷相整合能否在长期生理暴露中同时提供腐蚀防护和良好生物学响应。

**关键技术方法（不超过250字）**
采用浸涂（dip-coating）在316 L SS上制备PA84%/CS10%/HAp5%/TiO₂1%和PA89%/CS5%/HAp5%/TiO₂1%两种涂层；以SEM观察形貌、颗粒尺寸和截面厚度；按ASTM D638进行拉伸测试；以RAW-Blue巨噬细胞进行MTT细胞活力、Quanti-Blue分泌型胚胎碱性磷酸酶（SEAP）/NF-κB活化及形态计量；在37 ℃ Hank’s溶液中开展120 d极化曲线和电化学阻抗谱（EIS）；按ISO 2409:2020/ASTM D3359 Method B进行划格附着力测试。样本来源：CS由当地餐馆虾壳废弃物回收合成，HAp由Ca(OH)₂与H₃PO₄沉淀合成，TiO₂/HAp溶胶制备，PA6,6合成，基材为316 L SS；未涉及临床样本队列。

**研究结果**
3.1 SEM：通过SEM观察到HAp为纳米级不规则颗粒（35.5±11.3 nm），CS呈片层膜状，TiO₂/HAp呈不规则长条状与颗粒混合；PA/CS/HAp/TiO₂涂层均匀多孔，截面连续，厚度37±4.5 μm，界面无分层、空洞或裂纹。浸泡120 d后未涂层316 L SS表面改变面积为13.9%，PA89%/CS5%/HAp5%/TiO₂1%和PA84%/CS10%/HAp5%/TiO₂1%分别降至2.9%和1.4%。
3.1.1 EDS：通过EDS分析浸泡后表面，检测到316 L SS特征元素和氧，表明形成金属氧化物被动层；涂层样品出现少量Ca、Na、P，提示Hank’s溶液离子吸附和可能的钙磷成核；较高碳含量归因于PA或CS有机残留。
3.2 Biocompatibility：通过MTT和Quanti-Blue试验，所有材料细胞活力均高于70%（PA 90.65%、CS 89.34%、HAp 82.71%、TiO₂ 98.21%、杂化涂层97.63%）；TiO₂和杂化涂层显著高于LPS组。NF-κB活化均显著低于LPS组（1.182 O.D.），杂化涂层为0.493 O.D.，接近基础组0.426 O.D.。
3.2.1 RAW-Blue Cells：通过光学显微形态和ImageJ计量，LPS组细胞增大、铺展且圆形度降低；杂化组细胞尺寸、面积和圆形度（11.40±2.15 μm、95±28 μm²、0.74±0.11）接近基础组（12.41±2.35 μm、105±31 μm²、0.72±0.12），未见LPS样肥大。
3.3 Mechanical Testing：通过拉伸应力-应变曲线，CS、HAp和TiO₂引入降低了弹性模量、屈服强度、极限抗拉强度、断裂强度、韧性和延性，但材料仍以延性响应为主，断裂伸长率仍较高；PA84%/CS10%/HAp5%/TiO₂1%较PA89%/CS5%/HAp5%/TiO₂1%力学响应更平衡。
3.4 Electrochemical Tests：通过Hank’s溶液120 d电化学测试，杂化涂层提高316 L SS耐蚀性，PA84%/CS10%/HAp5%/TiO₂1%总体最佳。
3.4.1 Polarization Curves：通过极化曲线，涂层使阳极支向低电流移动并降低I_corr；120 d时两种涂层I_corr分别为3.00E-07和4.00E-07 mA/cm²，低于未涂层316 L SS的8.00E-07 mA/cm²；V_corr分别为5.22E-06和6.97E-06 mm/year，低于未涂层1.39E-05 mm/year。
3.4.2 EIS Represented by Bode Plots：通过Bode图，涂层|Z|高于空白；PA84%/CS10%/HAp5%/TiO₂1%在120 d达到最高90372 Ω·cm²，未涂层为58197 Ω；相位角显示多层时间常数，120 d低频相位角接近?80°，表明电荷转移降低和双电层电阻增加。
3.4.3 EIS Represented by Nyquist Plots：通过Nyquist图和等效电路拟合，PA84%/CS10%/HAp5%/TiO₂1%在120 d的|Z|为90372 Ω·cm²，R_c+cp为774 Ω·cm²，R_ct为21469 Ω·cm²，R_{p EIS}为22243 Ω·cm²；Warburg约11000–68000 Ω·cm²，提示扩散控制；拟合约95%。
3.5 Cross-cut adhesion test：通过划格附着力测试，PA89%/CS5%/HAp5%/TiO₂1%为ISO 1/ASTM 4B，交点见小片剥落；PA84%/CS10%/HAp5%/TiO₂1%为ISO 0/ASTM 5B，无可见剥落；较高CS可能通过氨基和羟基与氧化金属表面作用改善界面。

**讨论总结与研究结论翻译**
讨论部分指出，涂层多孔异质形貌源于聚合物与陶瓷相共存；HAp在生理介质中有利于磷灰石成核，TiO₂有助于部分封孔，CS影响附着、应力分布和能量耗散。长期浸泡中Ca²⁺、PO₄^3?吸附、钙磷沉积及孔隙渐进封闭促进界面稳定，电化学响应呈屏障效应、被动层稳定和扩散控制协同；PA84%/CS10%/HAp5%/TiO₂1%在力学、附着和电化学间最平衡。作者同时指出，生物学评价基于RAW-Blue巨噬细胞的初始细胞活力和NF-κB响应，后续需其他细胞模型进一步评价。

研究结论翻译：PA/CS/HAp/TiO₂杂化涂层在316 L不锈钢表面改性中表现出合适的电化学、力学、附着和生物学性能。在评价配方中，PA84%/CS10%/HAp5%/TiO₂1%总体响应最有利。在Hank’s溶液浸泡120 d后，该涂层通过EIS达到R_{p EIS}为22243 Ω·cm²，并表现出低于未涂层316 L不锈钢的腐蚀速率。其电化学行为与涂层屏障效应、受限离子传输以及浸泡期间涂层-金属界面的渐进稳定化有关。PA84%/CS10%/HAp5%/TiO₂1%涂层在划格附着力测试中也获得ISO 0和ASTM 5B分类，未见可见涂层剥落。较高CS含量可能促进了聚合物相与316 L不锈钢被动表面之间的界面相互作用。该杂化材料保持高细胞活力（98.3%），并相对于脂多糖（LPS）炎症对照显示低NF-κB活化。暴露于该杂化材料的RAW-Blue巨噬细胞形态也与基础条件相当，与Quanti-Blue试验中观察到的低炎症活化一致。力学测试表明，尽管与纯PA相比刚度、强度和韧性较低，杂化生物涂层仍保持以延性为主的行为。PA84%/CS10%/HAp5%/TiO₂1%配方在评价杂化物中表现出最平衡的力学性能，提示杂化结构内更有效的应力分布和能量耗散。总体而言，在所评价条件下获得的结果表明，PA84%/CS10%/HAp5%/TiO₂1%涂层在长期腐蚀防护、附着、力学行为和细胞响应方面提供了有利组合，支持其作为316 L不锈钢生物医学应用表面涂层的进一步评价。