将界面功能化与朗缪尔-布洛杰特组装技术结合，用于在3D打印的聚乳酸表面制备羟基磷灰石基混合涂层

《Applied Surface Science》：Integration of interfacial functionalization and langmuir–blodgett assembly for hydroxyapatite-based hybrid coatings on 3D-printed Poly(lactic acid)

　　

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  多步骤功能化处理可在惰性PLA表面形成混合层。
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  通过最终的朗缪尔-布洛杰特转移技术组装含羟基磷灰石的层结构。
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  黏附层有助于提高颗粒的固定效果以及涂层的均匀性。
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  可在不改变聚合物整体性能的情况下调控其润湿性。
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  混合界面可调控Saos-2细胞的附着，该方法也适用于通过增材制造得到的聚合物基底。

引言

聚乳酸（PLA）作为一种可吸收骨植入物的重要生物聚合物，因其可调控的降解动力学、良好的机械性能以及获得FDA批准可用于生物医学领域而备受重视[1]、[2]。然而，未经改性的PLA存在一些问题，可能阻碍有效的骨再生。具体而言，其疏水性（水接触角超过80°）会导致蛋白质吸附不良且细胞黏附能力有限，从而影响其生物活性[3]、[4]。尽管PLA具有生物可降解性且在生物医学领域得到广泛应用，但其未经改性的表面缺乏天然的成骨导生物活性，也无法为成骨细胞的附着、成骨分化以及矿化基质形成提供足够的生物学信号[5]、[6]。基于PLA的骨植入物可能引发的炎症反应会导致严重的临床并发症，如过度纤维化及愈合受阻[7]。植入手术后还可能出现感染，增加植入物失效的风险。此外，持续接触PLA的降解产物——如单体或寡聚乳酸——会激活某些代谢途径，升高促炎细胞因子的水平，进一步加剧植入物周围的炎症反应[8]、[9]。为解决这一问题，传统方法通常是添加碱性物质，但这些方法的疗效有限，因为仅调整pH值无法彻底解决细胞因子失调的根本原因[10]、[11]。

已有大量研究报道了多种PLA改性方法，旨在缓解相关问题[12]。尽管取得了这些进展，但目前仍缺乏一种既能打破代谢-炎症恶性循环，又能保持PLA降解特性的临床解决方案。因此，许多研究致力于提升PLA在生物医学领域的应用潜力。在提升PLA植入物功能性的各种方法中，将PLA与羟基磷灰石（HAP）复合使用被证明尤为有效^,[13]。羟基磷灰石（Ca_1_0(PO_4)_6(OH)_2）可通过多种物理化学及生物机制，弥补PLA基骨植入物的固有缺陷，从而显著提升其性能[14]。它的碱性特性有助于维持生理pH值、调节免疫反应，并促进成骨细胞黏附。此外，HAP还能释放钙离子和磷酸根离子，这些离子可饱和周围微环境，抑制无序的成骨过程[12]。在PLA/HAP支架的制备中运用这一策略，或许能为实现平衡的降解速率提供可行途径[15]。另外，通过在PLA支架中负载抗生素、抗炎剂或成骨导因子等药物，也可控制异物反应及细菌黏附问题[16]。随着PLA基复合材料的不断发展以及3D打印技术的进步，那些添加了HAP等多种添加剂的PLA植入物已展现出良好的应用前景[17]、[18]、[19]、[20]。尤其是PLA-PEG复合材料，在生物相容性、降解动力学及机械性能方面都取得了显著改善[21]。聚乙二醇（PEG）的亲水性可降低聚合物的疏水性，进而提升细胞黏附和增殖能力，而这些正是骨科植入物发挥功能的关键因素[14]。此外，由于PEG的存在会加速PLA的降解，改性后的PLA更适合用于临时植入物及其他相关装置[22]、[23]。值得注意的是，近年来人们对PLA表面功能化策略的兴趣日益浓厚。人们探索了多种方法，其中包括将HAP作为涂层材料。早期有研究展示了通过朗缪尔-布洛杰特技术沉积羟基磷灰石颗粒的方法[24]。还有研究采用脂质基质作为将HAP颗粒转移到PLA表面的介质。不过，实际上还有许多其他材料也可用于开发植入物涂层。

例如，壳聚糖（CHT）、多巴胺（PD）和胶原蛋白（COL）已被广泛研究，被认为是一种极具潜力的材料，能够克服骨组织工程中的诸多难题，比如提升支架的生物活性、促进成骨分化以及加速骨再生[25]、[26]、[27]。多巴胺借鉴了贻贝的黏附特性，能够与多种有机及无机基底形成强力的共价和非共价键[28]。多巴胺涂层还能增加表面亲水性并促进细胞黏附[29]、[30]。此外，多巴胺降解后会释放多巴胺，这种物质可在骨再生过程中调节成骨细胞中的关键受体[31]。

壳聚糖是一种生物相容性聚合物，其结构与细胞外基质的成分相似，因此有助于促进细胞的黏附、增殖和分化[32]、[33]、[34]。由于其具备提升骨整合能力、增加表面自由能以及具备抗菌和抗炎作用等特性，壳聚糖已被广泛用于生物材料的涂层制备中[35]、[36]、[37]、[38]、[39]。总体而言，壳聚糖能为骨细胞的附着和生长创造更为有利的微环境。相比之下，胶原蛋白能够形成与天然细胞外基质极为相似的仿生界面。尤其是I型胶原蛋白，能够促进细胞在材料表面的黏附、排列及增殖，包括成骨细胞在表面的活动[40]、[41]、[42]。不过，目前大多数相关研究都是针对钛植入物开展的[27]、[40]、[43]，与多巴胺类似，胶原蛋白也能提高包括PLA在内的合成聚合物的亲水性，进而促进细胞的附着和生长[44]。

综合这些研究结果可知，将不同材料的优势以及各类改性策略相结合，有望设计出性能更优异的可吸收骨植入物。因此，本研究旨在将现有理念与一种新型的多阶段薄膜沉积技术相结合，应用于PLA植入物表面。具体而言，就是利用PEG结构单元和HAP颗粒的特性，在3D打印得到的PLA植入物表面形成超薄涂层。

在本研究中，首先对HAP进行PEG功能化处理，随后对PLA进行两步表面改性。第一步中，用多巴胺、壳聚糖、胶原蛋白或其组合对PLA表面进行改性。第二步则通过朗缪尔-布洛杰特技术沉积HAP-PEG涂层，从而形成分子结构有序的超薄膜。

所提出的这一策略有望减轻植入物植入后由表面引发的炎症反应，进而避免不良的临床后果。由于该方法仅依赖于表面改性，预计无需改变PLA本身的降解特性，即可调控与炎症相关的代谢途径。

章节要点

材料

羟基磷灰石（HAP）的合成采用了四水合硝酸钙（Ca(NO₃)₂·4H₂O，分析纯度＞99%）、磷酸二氢二铵((NH₄)₂HPO₄，分析纯度＞99%）以及氨水NH₃·H₂O（来自波兰格利维采的Avantor Performance Materials Poland S.A公司）。而用于表面处理的材料则包括聚乙二醇（PEG，平均分子量=2000，来自Fluka公司）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF，纯度≥99.8%，来自Sigma公司）、六亚甲基二异氰酸酯（HMDI，纯度≥99.0%，来自Sigma公司）以及二月桂酸二丁基锡（DBTDL，纯度95%，来自Sigma公司）。

HAP-PEG的表征

通过FT-IR光谱技术确认了羟基磷灰石的合成情况，以及表面改性后是否存在与PEG相关的官能团。未改性及经PEG改性后的HAP的光谱如图3所示。

羟基磷灰石在FTIR光谱中的特征峰（见图3a）源于正磷酸根团（PO_4³?）中P–O键的振动，其在大约1000–1100?cm?¹以及600?cm?¹附近会出现较强的吸收峰，分别对应于ν₃伸缩振动

结论

本研究提出了一种多步骤策略，通过沉积含羟基磷灰石的混合层，对聚乳酸表面进行物理化学功能化处理。研究成功地将羟基磷灰石-聚乙二醇颗粒通过基于多巴胺和壳聚糖的黏附促进中间层固定在PLA表面，之后再通过朗缪尔-布洛杰特技术将其转移，该技术可单独使用，也可与I型胶原蛋白联合使用。

表面表征结果证实

CRediT作者贡献说明

Katarzyna Dopiera?a：负责原文撰写——初稿编写、数据可视化、实验研究、正式分析以及概念构思。 Katarzyna Adamska：负责原文撰写——审阅与编辑、方法设计、实验研究以及概念构思。 Jacek Andrzejewski：负责原文撰写——审阅与编辑、实验研究。 Aneta Bartkowska：负责实验研究工作。 Krystyna Prochaska：负责原文撰写——审阅与编辑、项目监督以及资金筹集工作。

利益冲突声明

作者们声明存在以下可能被视为利益冲突的财务利益/个人关系：Krystyna Prochaska获得了经济支持，同时波兹南工业大学化学技术学院也为她提供了行政支持以及各类设备、药品和物资。所有作者都与波兹南工业大学存在雇佣关系。Katarzyna Dopiera?a、Krystyna Prochaska、Jacek Andrzejewski以及Katarzyna Adamska

致谢

本项研究得到了波兰科学与高等教育部以及项目0912/SIGR/8058的财政资助。作者们还要感谢Marta Kamińska博士在细胞毒性研究方面提供的宝贵帮助，同时也感谢Monika Dobrzyńska-Mizera和Monika Knitter在讨论环节中所给予的协助。

Katarzyna Dopiera?a|Katarzyna Adamska|Jacek Andrzejewski|Aneta Bartkowska|Krystyna Prochaska