可降解锌上硫化 PEO 衍生涂层协同调控免疫与血管化骨形成用于骨科应用

《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Sulfurized PEO-Derived Coating on Biodegradable Zn Orchestrates Immunoregulation and Vascularized Osteogenesis for Orthopedic Applications

　　

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  通过等离子电解氧化（PEO）和硫化处理，在可降解锌上构建了ZnO/ZnS异质结构涂层。
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  S-PEO-Zn提高了表面润湿性和蛋白质吸附，同时调控了Zn²⁺的释放。
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  S-PEO-Zn促进M2型巨噬细胞极化，并抑制了与NF-κB相关的炎症信号传导。
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  S-PEO-Zn在体外增强了内皮细胞血管新生和成骨分化。
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  S-PEO-Zn建立了有利的免疫微环境，并在体内增强了骨再生。

引言

可降解金属植入物因其独特的临时机械支撑、原位降解和组织替代功能，在骨修复领域受到越来越多的关注，从而减轻了与永久植入装置相关的长期并发症，如应力遮挡、慢性炎症和二次取出手术 [1], [2], [3]。Mg、Fe和Zn是最有前景的可降解金属。然而，Mg在体内降解过快，导致氢气积聚和局部碱化，对组织修复有害 [4]。Fe腐蚀过慢，其腐蚀产物可能持续存在很长时间，阻碍了及时的组织替代 [5]。相比之下，Zn具有更为适中的降解速率，使Zn基系统在骨科再生领域尤其具有吸引力 [6], [7]。然而，Zn基植入物中Zn²⁺的不可控释放仍然是一个挑战 [8], [9]。

骨再生由一个高度协调的免疫-血管-骨偶联级联反应决定 [10], [11], [12], [13]。植入后，巨噬细胞作为关键的"指挥者"，塑造局部细胞因子环境，进而影响内皮细胞活化和干细胞命运 [14]。同时，有效的血管化对于氧气和营养物质的输送至关重要，这对强健的骨形成不可或缺 [12], [15]。然而，Zn基植入物中Zn²⁺的时空波动释放可能扰乱这些过程。过量或爆发式的Zn²⁺暴露会引发持续炎症反应，以及内皮细胞和干细胞功能障碍 [16], [17]。因此，实现稳定和可调控的Zn²⁺释放对于释放可降解Zn植入物的全部再生潜力至关重要。

等离子电解氧化（PEO）是一种表面工程技术，能够在电解质中通过高压放电在活性金属表面生成紧密结合的陶瓷层 [18], [19]。PEO涂层具有可调的厚度和孔隙率，并提高了耐腐蚀性，因此在生物医学领域得到了广泛探索，特别是用于Mg基可降解植入物 [20], [21], [22]。然而，传统的PEO涂层通常具有固有的微孔和放电诱导缺陷，这些缺陷可作为电解质渗入的通道 [23], [24]，可能导致局部腐蚀和在生理环境中不稳定的离子通量。由于Zn²⁺的治疗窗口狭窄，浓度波动可能损害免疫调节和血管化成骨，这些问题对于Zn基植入物尤其关键 [25]。因此，需要超越单一氧化物层的进一步界面优化，以稳定腐蚀行为并实现更可控的Zn²⁺释放。

在本研究中，我们通过构建PEO衍生的ZnO/Zn₃(PO₄)₂涂层来解决上述局限，然后进行硫化处理引入外部ZnS层，从而形成一种Zn异质结构界面，旨在增强界面稳定性并支持骨再生所需的免疫-血管-骨偶联级联反应（图1）。

各章节摘要

样本制备

将Zn（99.99%）切割成圆盘状（Φ10 × 1 mm），并在丙酮和乙醇中超声清洗。PEO过程在含有10 g/L K₃PO₄和2 g/L KOH的水溶液中进行，使用恒压电源。处理在500 V电压下进行，占空比为5%，持续60 s。氧化后，样品用去离子水彻底冲洗，所得涂层标记为PEO-Zn样品。将PEO-Zn样品浸入40 mL水溶液中。

表面性质

如图1A所示，纯Zn表面显示出典型的机械抛光痕迹，表面光滑平整。经过PEO处理后，形成了火山状多孔形貌，特征为"中心凹陷周围隆起边缘"。表面可观察到熔融和快速固化的典型特征，反映了微弧放电过程中瞬态高温条件 [26]。经过进一步的硫化处理（S-PEO-Zn）后，原始的

结论

在本研究中，在纯Zn上开发了一种基于PEO的表面工程策略，随后进行硫化处理以获得ZnO/ZnS异质结构涂层。这种分级表面修饰显著提高了界面电化学稳定性，并实现了比裸Zn更可控的Zn²⁺释放曲线，从而减轻了Zn诱导的细胞毒性，并建立了有利于生物调节的物理化学基础。在生物学方面，S-PEO-Zn植入物将

动物实验对象

本研究按照ARRIVE（动物研究：体内实验报告）指南进行。

本研究经广东省人民医院动物护理与实验委员会批准。

（批准编号：KY2023-821-01）

CRediT作者贡献声明

Lei Pan：撰写原始文稿，调查研究，数据整理。Lixiang Zhou：撰写原始文稿，调查研究，数据整理。Reng Yang：撰写——审阅和编辑，指导，资金获取，概念化。Shuang Zhu：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢以下支持：广东药科大学-三水区人民医院协同研发计划（项目编号：SY2024A03），广东省基础与应用基础研究基金（项目编号：2026A1515010389）

在准备本文期间，作者使用了ChatGPT（OpenAI）进行手稿修订和润色。作者已审阅和编辑输出内容，并对

Lei Pan|Lixiang Zhou|Yu Lei|Houjun Xue|Gaoquan Zheng|Jiaying Wang|Shuang Zhu|Ren Yang|Mengyu Yao|Feng Peng