《Journal of Drug Delivery Science and Technology》：Electrodeposited polydopamine/laponite/chitosan/CS-ZnO nanoparticles/gentamicin composite coating on 316L stainless steel for orthopedic applications: Dual action against osteomyelitis and for enhanced osteogenesis
编辑推荐：
•通过电泳沉积技术在316?L不锈钢表面制备出一种具有抗菌和成骨功能的多功能涂层。•采用Box–Behnken设计方法来优化涂层的均匀性、稳定性以及膨胀行为。•含有CS-ZnO纳米颗粒和庆大霉素的涂层能够有效抑制金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌的生长，防止生物膜形成。•该涂层在保持高
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通过电泳沉积技术在316?L不锈钢表面制备出一种具有抗菌和成骨功能的多功能涂层。
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采用Box–Behnken设计方法来优化涂层的均匀性、稳定性以及膨胀行为。
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含有CS-ZnO纳米颗粒和庆大霉素的涂层能够有效抑制金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌的生长，防止生物膜形成。
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该涂层在保持高成骨细胞存活率的同时，还能显著促进I型胶原蛋白的沉积。
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这种含有药物的多层涂层可作为骨科植入物的一种稳定且具有接触活性的治疗平台。
引言
骨髓炎是骨科手术中一种严重且易复发的并发症，表现为骨骼或骨髓感染，需要同时进行抗菌治疗以及受感染部位的重建。其主要致病病原体包括金黄色葡萄球菌、溶血性链球菌、肺炎链球菌、大肠杆菌以及铜绿假单胞菌，其中约75%的病例是由金黄色葡萄球菌引起的[1]。与植入物相关的骨髓炎会进一步增加临床、社会和经济负担，影响骨科植入物的长期使用效果[2]。
尽管全身抗生素治疗是目前的标准疗法，但在预防或治疗骨科感染方面效果有限。氯己定和硝基呋喃唑酮等非抗生素类消毒剂的表现也并不理想。细菌的持续定植和生物膜的形成仍是两大难题，因为静止状态的细菌能够抵抗免疫系统的清除、抗生素以及杀菌剂的攻击。此外，骨-植入物界面处的生物膜以及血管供应不足也会加重治疗难度[3]。因此，在植入物表面施加抗菌涂层成为一种有效的策略，既能防止生物膜形成，又能减少全身抗生素的使用量[4]。
在各种涂层技术中，电泳沉积法是一种灵活且经济高效的方法，能够在结构复杂的物体表面形成均匀的涂层。在电泳沉积过程中，悬浮液中的带电粒子或聚合物会在电场作用下移动，并沉积在带相反电荷的电极上，从而形成一层均匀的涂层，这类涂层还可以作为局部药物储存库[5]。
无机纳米颗粒，尤其是金属和金属氧化物纳米结构，已被广泛研究作为骨再生过程中的生物活性物质和抗菌剂[6]。与其他金属离子相比，含锌材料具有更出色的抗菌活性和成骨潜力。氧化锌纳米颗粒具有生物相容性且无毒性，常被用作药物载体。其抗菌机制包括破坏细胞膜、导致细胞内物质泄漏以及产生活性氧[7]。我们之前的研究显示，壳聚糖包覆的氧化锌纳米颗粒与庆大霉素共同作用时，能产生协同抗菌效应，即便在较低浓度下也能抑制细菌生长[8]。
拉波奈特是一种经美国食品药品监督管理局批准的合成蒙脱石黏土，它可以分解为硅酸羟基根、镁离子以及锂离子等生物活性离子。这些离子能够共同促进胶原蛋白的合成、成骨细胞的分化以及整合素介导的成骨过程[8]。此外，拉波奈特还能提升聚合物的机械性能，可作为填充剂或交联剂使用[9]。
壳聚糖是一种可生物降解的带正电荷的多糖，常被用于组织工程中的薄膜和支架制备。壳聚糖涂层能够降低金属植入物的腐蚀性和毒性，不过确保其附着强度和完整性仍然十分重要。通过使用硅烷偶联剂或多巴胺对表面进行处理，可以显著提高涂层的稳定性[10]。多巴胺是通过多巴胺的氧化聚合得到的，它能形成较强的黏附层，能够结合多种生物分子，进而促进细胞黏附、成骨细胞分化以及抗菌作用[11,12]。
尽管在骨科植入物用抗菌涂层方面已经取得了不少进展，但依然存在诸多局限性。许多涂层系统依赖抗菌物质的瞬时释放，这就导致了短期内的治疗效果，同时药物储存库也会很快耗尽，从而影响长期的防护效果[13]。此外，银基等金属涂层虽然具有很强的抗菌活性，但由于离子释放难以控制，可能会带来细胞毒性和长期安全性的问题[14]。而基于抗菌肽的涂层虽然效果优异，但在生理环境中往往稳定性较差，还容易受到酶的作用而降解[15]。更重要的是，目前大多数策略都无法同时实现持续的抗菌效果与促进成骨过程，而这二者都是确保植入物成功融合的关键因素。
为了解决这些问题，我们提出了一种基于多巴胺、壳聚糖和拉波奈特的多功能多层涂层，该涂层还包含了CS-ZnO纳米颗粒和庆大霉素。已知氧化锌纳米颗粒可以通过产生活性氧、破坏细胞膜以及释放锌离子来发挥抗菌作用，同时在适当浓度下还能促进成骨细胞的分化[16]。与此同时，拉波奈特可以释放出硅离子和镁离子等生物活性离子，这些离子已被证实能够促进成骨过程并增强细胞外基质的矿化程度[17]。此外，多巴胺还能通过儿茶酚介导的相互作用提升表面的附着性能和生物活性，从而促进细胞的附着与分化[18]。将这几种成分整合到多层结构中，就可以同时实现接触型抗菌机制以及可在感染导致的酸性环境下释放药物的pH响应型释放功能。
据我们所知，这是首篇报道通过电泳沉积技术将CS-ZnO纳米颗粒和庆大霉素整合到PDA/LAP/CS多层涂层中，从而实现双重抗菌效果并与成骨功能相结合的研究。因此，本研究旨在开发这种多功能涂层，并对其性能进行全面评估，以此作为预防植入物相关感染并促进骨整合的策略。这种多功能设计解决了当前植入物技术中抗菌持久性与成骨性能之间的矛盾这一重大问题。
章节要点
材料
用作基材的商业316?L不锈钢板（厚度为80微米）购自阿根廷布宜诺斯艾利斯的Roberto Cordes S.A.公司。盐酸多巴胺、中等分子量的壳聚糖以及硫酸庆大霉素则从美国密苏里州圣路易斯的Sigma–Aldrich公司购买。二水合醋酸锌则从阿根廷科尔多瓦的Pura Química公司采购。拉波奈特?则来自英国的BYK Additives Ltd.公司。其他所有试剂均为分析级产品。
利用Box–Behnken设计及响应面分析法优化电泳沉积工艺
在本研究中，我们在316?L不锈钢表面进行了3,4-二羟基苯乙胺（多巴胺）的原位电聚合反应，从而得到了多巴胺涂层。多巴胺是一种具有生物相容性且环保的儿茶酚胺，能够附着在多种有机和无机基底上，包括金属氧化物、陶瓷材料、贵金属以及合成聚合物[25]。
为了优化多巴胺涂层的性能，我们采用了包含15组实验的三水平Box–Behnken设计方法。
结论
本研究通过优化的电泳沉积技术，在316?L不锈钢表面成功制备出一种基于多巴胺、壳聚糖、拉波奈特、CS-ZnO纳米颗粒以及庆大霉素的多功能多层涂层。该涂层具有均匀的形态、较强的附着性以及可调控的表面性质，为生物分子与其相互作用提供了良好的界面条件。
该涂层展现出双重抗菌机制，兼具接触型抗菌效果。
CRediT作者贡献说明
伊万娜·R·斯科拉里：正式分析、研究工作、论文撰写——审阅与编辑。胡安·P·扎宁：正式分析、研究工作、方法学研究、论文撰写——审阅与编辑。奥马尔·E·利纳雷斯·佩雷斯：正式分析、研究工作、方法学研究、论文撰写——审阅与编辑。保莉娜·L·帕埃斯：正式分析、方法学研究、资源准备、论文撰写——审阅与编辑。雷妮·奥南蒂：研究工作、方法学研究。赫尔曼·A·吉尔：正式分析。格拉迪斯·E·格拉内罗：概念设计、资金筹集、方法学研究。
利益冲突声明
作者声明自己不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢阿根廷国家科学和技术研究委员会（CONICET）、科尔多瓦国立大学科学技术部（SECyT-UNC）以及阿根廷科学和技术研究基金（FONCYT）为这项研究提供的支持与设施。同时，我们也要感谢UNC的电子显微镜与分析实验室（LAMARX FAMAF）所提供的扫描电镜和共聚焦显微镜图像。特别要感谢马塞洛·罗梅罗教授在接触角测量方面的帮助。
伊万娜·R·斯科拉里|胡安·P·扎宁|奥马尔·E·利纳雷斯·佩雷斯|保莉娜·L·帕埃斯|雷妮·奥南蒂|赫尔曼·A·吉尔|格拉迪斯·E·格拉内罗
