《Surface and Coatings Technology》：Enhancement of corrosion and osseointegration properties of 3D-printed Ti-6Al-4V implants through plasma electrolytic oxidation coating functionalized with naproxen-conjugated albumin nanoparticles
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摘要个性化钛植入物表面生物相容性不足会危及结构完整性和生物功能，因此创建一种活性表面涂层是减轻植入后并发症的关键策略。本研究考察了富含钙和磷的等离子体电解氧化（PEO）涂层——经布洛芬-白蛋白纳米颗粒功能化后——对3D打印Ti-6Al-4V植入物体外耐蚀性、成骨诱导能力和抗炎
摘要
个性化钛植入物表面生物相容性不足会危及结构完整性和生物功能，因此创建一种活性表面涂层是减轻植入后并发症的关键策略。本研究考察了富含钙和磷的等离子体电解氧化（PEO）涂层——经布洛芬-白蛋白纳米颗粒功能化后——对3D打印Ti-6Al-4V植入物体外耐蚀性、成骨诱导能力和抗炎潜力的影响。结果表明，涂层制备显著提高了表面自由能，从而增强了在生理介质中的润湿性。电化学阻抗谱显示，与打印基体相比，涂层将耐蚀性提高了十倍，起到了坚固的阳极溶解屏障作用。药物释放动力学表明，将布洛芬与白蛋白纳米颗粒共轭消除了不可控的突释现象，并按照Korsmeyer-Peppas模型实现了持续释放。细胞毒性试验表明，该涂层无毒，并将MC3T3-E1成骨细胞的活力从打印样品上的约81.1%提升至3天后的约99.8%。这些发现通过观察到细长的多边形骨细胞通过大量丝状突起锚定于涂层表面孔隙中得到证实。此外，碱性磷酸酶表达显著增强，表明成骨细胞分化加速。茜素红染色显示广泛的钙结节矿化，证实了终末成骨过程的诱导。总体而言，该涂层在植入物表面生物功能化方面展现出巨大潜力。
引言
由创伤、衰老和退行性疾病引起的骨科疾病是每年影响全球众多人群的重大问题之一。使用金属植入物修复或替换受损骨组织已成为一种有效的治疗手段。钛基合金，尤其是Ti-6Al-4V，由于其与其他金属生物材料相比具有优异的生物相容性、耐腐蚀性、机械强度和弹性模量，被广泛用于制造永久性骨科植入物。使用传统方法——包括成形、铸造和加工——按标准尺寸制造钛植入物，不仅增加了生产时间和成本，还影响了根据个体解剖结构进行精准放置的准确性。将3D打印（即增材制造）技术应用于金属植入物的生产，彻底革新了植入物学领域。该技术能够基于缺陷部位的精确3D模型逐层制造定制化植入物，从而提高了放置精度，消除了术中植入物修改的需要，并缩短了手术时间。此外，该方法可以通过定制打印参数控制机械性能，从而最大限度地减少金属植入物的应力屏蔽效应[1]、[2]、[3]。
尽管钛植入物在修复医学中具有良好的性能，但具有原始表面的钛植入物在暴露于生理环境时面临诸多挑战。这些挑战主要源于金属表面与周围活组织的生物不相容性。其中之一是在氯化物介质中发生的腐蚀现象，这不仅削弱了植入物的结构完整性，还因释放过量的金属离子而导致局部毒性和炎症反应。此外，组织对腐蚀产物的反应可能导致无菌性松动，进而造成周围骨组织的破坏[4]、[5]、[6]。
在钛植入物上创建多功能涂层以在裸露金属与活组织之间建立活性界面，是克服生理环境挑战的关键策略。就第一功能而言，涂层应保护裸露金属免受周围介质的侵蚀，防止腐蚀和有毒金属离子的释放。就第二功能而言，涂层应诱导骨形成，以实现与宿主组织更快、更牢固的整合。最终，如果该涂层能够通过局部给药主动抑制炎症，那就更为理想[7]、[8]。等离子体电解氧化（PEO）工艺作为一种高效的涂层方法，在满足钛植入物上述所有要求方面具有巨大潜力。通过该方法，可以在钛基体上电化学地形成具有高附着力和可控表面孔隙的保护性氧化物涂层。稳定、粘附的陶瓷层对改善耐腐蚀行为和防止金属离子释放具有直接的显著影响。此外，涂层表面的孔隙率对通过提供粗糙拓扑结构来增强骨整合以及创建合适的微容器以装载抗炎药物起着至关重要的作用[4]、[9]、[10]。
白蛋白是血液中最丰富的蛋白质，是一种生物相容且无免疫原性的生物分子。该蛋白质因其羧基和氨基官能团可以结合多种配体。白蛋白能够为成骨细胞的粘附提供适宜条件。这种纳米尺度的材料由于其小尺寸、高比表面积和可控的表面化学性质，已被广泛用作药物递送载体。将纳米级白蛋白颗粒放置在PEO涂层的孔隙中，可以为在金属植入物上诱导成骨创造生物相容的支架。同时，这些颗粒还可以作为受控药物装载和释放的载体[11]、[12]。
目前关于白蛋白与金属上制备的PEO涂层相互作用的研究有限。在这方面，可以提到Campos等人的研究，他们调查了含钙和磷的钛氧化物PEO涂层的化学成分和表面特性对周围介质中牛血清白蛋白（BSA）装载和释放的影响[13]。在其他研究中，研究人员探讨了白蛋白在腐蚀性介质中对PEO涂层降解的影响。Wan等人研究了BSA和无机离子在氯化钠和磷酸盐缓冲液（PBS）水溶液中对氧化镁PEO涂层电化学腐蚀行为的影响。他们报告称，在腐蚀环境中BSA的存在降低了腐蚀电流密度，起到了抑制剂的作用，防止镁合金的迅速溶解[14]。Zhang等人研究了含BSA的PBS中氧化镁PEO涂层的生物降解性，发现BSA通过与镁离子形成钝化络合物提高了耐腐蚀性[15]。Lu等人研究了向氯化钠溶液中添加过氧化氢和BSA对在钛上形成的纯钛和含铜PEO涂层体外腐蚀行为的影响，以模拟植入物周围的条件[16]。在白蛋白沉积于PEO涂层方面，可以参见Kaseem等人的研究，他们在AZ31镁合金上形成的PEO涂层上通过浸泡法构建了十六烷酸和BSA层，并报告改善了电化学稳定性[17]。Xue等人通过水热法将NaCa2HSi3O9纳米棒涂覆于钛上形成的PEO涂层，随后在其上沉积了由不同比例BSA和溶菌酶组成的蛋白质层。他们报告了针对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的强抗菌活性，以及MC3T3-E1成骨细胞的强烈细胞响应[18]。关于利用PEO涂层表面孔隙作为药物装载微容器，可以提到Huan等人的研究，他们将镍钛合金上形成的PEO涂层用作制造支架的药物载体[19]。Nyan等人将辛伐他汀装载入钛上形成的PEO涂层孔隙中，报告改善了骨整合并加快了植入物周围骨的形成[20]。Bordbar-Khiabani等人利用AZ91镁合金上创建的PEO涂层的表面孔隙装载倍他米松磷酸钠，并研究了其生物学特性和释放机制[21]。Tavakoli等人将基于氟比洛芬与外泌体共轭的药物释放系统沉积于钛氧化物PEO涂层的孔隙上，研究了药物释放动力学、细胞行为和抗菌性能[22]。
创建一种能够同时抵抗腐蚀、促进骨形成并抑制炎症的植入物表面，仍然是骨科研究中的关键挑战。为此，本研究旨在为3D打印钛植入物构建一种多功能涂层。具体而言，首先通过PEO工艺在3D打印的Ti-6Al-4V基体上生长了富含钙和磷离子的钛氧化物层。在另一步骤中，采用解溶剂法制备了球形BSA纳米颗粒，并将其与布洛芬（一种模型抗炎药物）共轭[23]。随后将这些载药纳米颗粒置于多孔PEO涂层上。对所构建涂层系统的理化性质、形貌、相组成、润湿性、防腐蚀性能、药物释放曲线、细胞响应和成骨功能进行了全面表征。
章节摘要
样品的制备与涂层
通过选择性激光熔化工艺（Noura M100），使用300 W激光器制造了尺寸为15 mm × 5 mm × 5 mm的长方体样品。加工参数设置为扫描速度300 mm·s?1，层厚30 μm。采用商用Ti-6Al-4V粉末23级（Nikon SLM Solutions）作为原料。制造完成后，样品在乙醇中进行超声脱脂，并用热风吹干。
PEO涂层在不经过任何
形貌、化学成分与晶体结构
植入物的生物相容性受表面特征的协同相互作用控制，包括形貌、化学成分和晶体结构，这些特征共同影响骨整合过程[26]、[27]。因此，首先对这些性质进行了表征。打印样品的FESEM图像如图1a所示。在表面观察到光滑的丘状结构，这些是由激光束局部熔化金属颗粒后
结论
本研究旨在通过一种实用且具成本效益的策略，解决3D打印钛植入物的局限性。通过PEO工艺在打印的Ti-6Al-4V基体上制备了富含钙和磷的多孔钛氧化物涂层，随后负载了NAPs。所形成的约18 μm厚的氧化物层起到了坚固的屏障作用，阻止了侵蚀性离子的渗透，将打印基体的耐腐蚀性提高了10倍。相对于
CRediT作者贡献声明
Akbar Esmaeilnejad：撰写–初稿、软件、方法学、调查、数据整理、概念化。Benyamin Yarmand：撰写–初稿、验证、监督、软件、方法学、调查、数据整理、概念化。Maryam Saeidifar：验证、监督、方法学、调查、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益关系可能会影响本文所报告的工作。
致谢
本研究得到了伊朗卡拉季材料与能源研究中心（MERC）研究基金（编号：247383）的支持。
Akbar Esmaeilnejad|Benyamin Yarmand|Maryam Saeidifar
伊朗卡拉季材料与能源研究中心（MERC）纳米技术与先进材料系
