用于生物医学应用的多功能、可生物降解及生物活性静电纺丝生物基聚合物涂层

《Coatings》：Electrospun Bio-Based Polymer Coatings as Multifunctional, Biodegradable and Bioactive Layers for Biomedical Applications

　　

随着对环境问题和生物医学需求的日益关注，可持续且具有功能性的表面涂层的开发已成为材料科学的核心主题。本研究报道了通过静电纺丝技术制备的生物基聚乳酸（PLA）纳米纤维涂层，旨在提供具有控释功能的可生物降解和生物活性表面。静电纺丝技术使得能够形成具有高比表面积且形态类似于细胞外基质（ECM）的均匀纳米纤维涂层，展示了作为多功能涂层平台的潜力。研究人员对所得涂层的物理化学和生物学性质进行了系统评估，包括抗氧化活性、细胞相容性以及作为模型生物活性剂的乙酰水杨酸的控释行为。通过分析释放行为以阐明主导的传输机制，揭示了一个双相释放曲线，其特征在于初始的突释随后是持续的扩散控制释放。这些结果表明，静电纺丝PLA涂层在生物基聚合物涂层形式中成功结合了可生物降解性、生物活性和可调谐的释放特性。这些发现突显了此类生物基聚合物涂层在需要可生物降解和功能性表面解决方案的生物医学应用中的潜力，并有助于更广泛地推进环保和多功能涂层技术的发展。

近年来，能够模拟天然细胞外基质（ECM）的先进生物材料的开发已成为组织工程和生物医学领域的重要研究方向。生物基和可生物降解聚合物涂层不仅能保护表面，还能与生物环境主动相互作用，因此在支持细胞粘附、调节生物反应和实现治疗剂的局部递送方面具有巨大潜力。然而，尽管静电纺丝聚乳酸（PLA）纤维系统和药物洗脱涂层已被广泛研究，但在单一生物基静电纺丝PLA涂层平台中，结合使用植物提取物与铋氧化物（Bi₂O₃）及钆氧化物（Gd₂O₃）纳米颗粒，以实现具有短期心脏保护药物释放功能的可降解、生物活性表面，尚未得到系统探索。特别是，这种有机-无机混合改性如何影响抗氧化和细胞相容行为，以及乙酰水杨酸从涂层中释放的机制，仍缺乏关注。为解决这一问题，研究人员假设同时引入生物活性植物提取物和氧化物纳米颗粒会改变涂层的内部结构，从而影响其抗氧化活性、细胞相容性以及突释和扩散之间的平衡，并最终成功开发并表征了一种混合生物基PLA涂层系统，得出了该系统能够实现可控释放并保留生物学性能的结论，这对于开发用于生物医学表面工程的多功能涂层具有重要意义。该论文发表在《Coatings》期刊上。

为开展此项研究，研究人员主要采用了静电纺丝技术制备纳米纤维涂层，并通过扫描电子显微镜及能谱分析（SEM-EDS）观察其表面形貌与元素组成；使用水接触角测量和体积法评估了涂层的润湿性、孔隙率和密度；通过体外模拟体液（SBF）降解实验和质量测试考察了其生物降解与溶胀性能；利用紫外-可见分光光度计结合DPPH自由基法测量了抗氧化能力及阿司匹林的体外释放曲线；最后采用XTT法在骨肉瘤MG-63细胞系中对涂层进行了细胞毒性评估。

EDS Analysis of Elemental Composition
通过能谱分析（EDS），研究人员验证了合成的铋氧化物纳米颗粒的元素组成，图谱中确认了铋和氧的存在，且定量分析与理论化学计量比一致，证明了材料合成的成功。

SEM Analysis of Surface Morphology and Composition
通过扫描电子显微镜（SEM）分析，观察到合成的Bi₂O₃颗粒呈片状形态。静电纺丝涂层图像显示，涂层形成了发育良好的纤维结构，无明显珠状物或缺陷。纯PLA涂层表现出更致密和随机分布的纤维网络，而添加提取物的涂层纤维排列更有序。测量数据显示涂层主要由微米级纤维构成，并在高倍放大下发现了亚微米和纳米级的精细纤维特征，表明涂层具有分层微纳形态。

In Vitro Biodegradation Study
通过在模拟体液（SBF）中进行体外降解研究，发现两周后含有Kalanchoe pinnata提取物的膜质量损失最大，介于4.08%至13.42%之间，而纯PLA及含有Sideritis提取物的样品质量损失最小。这归因于后者的较低溶胀能力和孔隙率限制了水的渗透。此外，浸泡不同时间后溶液pH值的下降证实了PLA膜的部分降解。

Swelling Determination
通过质量测量评估了膜在水中的溶胀能力。不含纳米颗粒的聚合物膜表现出最高的溶胀水平，其中样品1的溶胀率高达639.7%。而含有无机添加剂的膜由于纤维网络的部分致密化，孔隙率降低，导致溶胀率下降，最低仅为150.2%。

Determination of the Wetting Angle
通过座滴法测量了膜表面的水接触角（θ）。结果显示所有膜的接触角介于115.21°至126.33°之间，均表现出疏水特性。尽管润湿性有限，但纤维表面形貌及生物活性添加剂的存在仍使材料保持了细胞相容性。

Measurement of Antioxidant Capacity by the DPPH Radical Method
利用DPPH法评估了抗氧化能力。纯PLA溶液表现出最低的抗氧化活性（平均抑制率为3.22%）。添加Kalanchoe pinnata提取物的膜抑制率介于4.86%至8.83%之间，而含有Sideritis提取物的样品表现出最高的氧化能力，证实植物提取物赋予了涂层显著的抗氧化特性。

Drug Release
通过测量释放介质中乙酰水杨酸的浓度，发现大多数药物在浸泡的最初5至10分钟内迅速释放，浓度稳定在1.8至2.0 mg/mL。仅样品4表现出延长释放的特点，120分钟后浓度达到2.87 mg/mL，表明特定配方的药物在基质中的滞留更为持久。

Drug Release Kinetics Analysis
研究人员应用三种数学模型分析药物释放动力学。Korsmeyer–Peppas模型确认释放受Fickian扩散控制，但其无法描述完整曲线；Weibull模型较好地描述了整体数据并表明无腐蚀驱动的释放；Peppas–Sahlin模型提供了最全面解释，成功分离了突释和扩散贡献，证实释放过程遵循双相机制，即初始突释随后是持续的扩散控制释放，侵蚀作用可忽略不计。

Porosity and Density Testing
通过异丙醇体积变化法测试了密度和孔隙率。所有支架的孔隙率均超过71%，处于支架再生的首选范围（60%至90%）内，其中含Kalanchoe extract的样品1孔隙率最高达90.91%。这表明该涂层具备良好的细胞附着和物质交换的结构基础。

Cytotoxicity Assay
利用XTT法评估了膜的细胞相容性。所有测试膜均未对细胞增殖产生不利影响，确认了其生物相容性。富集Kalanchoe pinnata提取物的膜显著促进了细胞生长，表现出最高的代谢活性，而高浓度金属氧化物纳米颗粒则略微降低了细胞活力。

在讨论与结论部分，研究人员总结指出，本研究通过静电纺丝技术成功制备了生物基PLA纳米纤维涂层。该涂层具有高比表面积和类似ECM的形态。药物释放机制遵循双相模式，初期为快速突释，随后为持续的扩散控制传输，且基质的侵蚀作用极小。其中，Peppas–Sahlin模型最准确地捕捉了释放过程的定量趋势和机制。研究结果证实，静电纺丝PLA涂层结合了可生物降解性、可调谐的释放特性和生物活性，证明了其作为功能性生物医学表面材料的有效性。这些发现为设计具有控释功能的涂层提供了有价值的见解，并有助于进一步开发用于先进生物医学表面工程的可持续多功能涂层系统。