Carbohydr. Polym.：为植入物披上“凝胶外衣”赋予多功能抗菌活性

对于传统的单功能抗菌涂层治疗将其用于植入相关的感染并不能实现长期效果。因此，生物医学植入致力于开发新型抗菌涂层，通过结合多种抗菌策略实现相互协同作用以增强抗菌效果。其中，Ti6Al4V合金是制造最多的商业生物医学装置之一，但其缺乏抗菌活性，这使得它们易于受到细菌污染。为此，来自西班牙i+Med S. Coop.机构的José MaríaAlonso团队在Ti6Al4V生物材料表面制备了透明质酸基(HA)水凝胶涂层。水凝胶涂层显示出非凡的在活生物体内生物相容性，促进细胞增殖、分化和矿化的显著能力，以及持续释放药物的能力。相关研究成果以“Hyaluronic acid-based hydrogel coatings on Ti6Al4V implantable biomaterial with multifunctional antibacterial activity”为题于2022年11月19日发表在《Carbohydr. Polym.》上。

图1 Ti6Al4V合金涂层的多功能抗菌活性

• Ti6Al4V涂层的特性

由于P-O-金属键的水解稳定性高，磷酸盐SAM被用于Ti6Al4V表面功能化。之后，膦酸盐SAM被进一步修饰，形成氨基端表面，随后通过EDC/NHS化学方法与先前激活的HA羧酸反应，促进高度稳定和强共价键的形成。采用XPS和接触角测量来分析这种表面变化(图2)。

图2 在Ti6Al4V表面上形成膦酸盐SAM的示意图

作者采用原位交联的方法合成了HA基水凝胶涂层，水凝胶的交联和涂层形成同时发生。接着，作者通过接触角、XPS、SEM/EDX、干涉测量、光学显微镜和AFM等测试用于评价Ti-HABDDE和Ti-HADVS的形成。接触角的测试证明在改性后其润湿性显著增加，水凝胶涂层的SEM图像中可以区分全部表面覆盖(图3A-B)。对于改性表面的化学成分，XPS光谱(图3C)显示了钛、铝、钒和氧原子组成的预期下降，而碳和氮的数量增加了。元素组成和分布(图3D)也显示了Ti, Al和V含量的类似下降，C, N和O元素的含量增加且均匀分布在表面。

图3 Ti6Al4V表面涂层的物理化学特性

基于HA的水凝胶涂层在不与Ti6Al4V表面分离的情况下，获得了非常厚的水凝胶涂层，具有巨大的平衡膨胀率（图4C-D）。此外，还检测了在透明质酸酶的情况下水凝胶涂层的生物降解情况，Ti-HADVS在酶催化介质中表现了更快的生物降解，主要是由于其具有更高的膨胀能力，使更多的透明质酸酶渗透到不紧凑的聚合网络中。最后，对羟基磷灰石基水凝胶涂层在水合状态下的纳米力学性能进行了量化（图4E）。如图E所示，TiHABDDE比Ti-HADVS具有更高的杨氏模量，证实了Ti-HABDDE是一种更坚硬、溶胀能力更低的水凝胶涂层。散。

图4 Ti6Al4V表面涂层的形貌、酶解及力学性能

• 生物相容性测试

作者继续测试了涂层的体外细胞毒性测试，以评估原始Ti6Al4V和水凝胶涂层的生物安全性。纯Ti6Al4V在100%和75%浓度下表现出轻微的细胞毒性，而细胞相容性Ti-HABDDE和Ti-HADVS在所有测试浓度下均显著提高(细胞活力> 99%)。接下来对Ti-HADVS进行生物相容性和细胞增殖和分化试验。此外，作者还测试了溶血率，结果显示原始Ti6Al4V和Ti-HADVS比对照促进了更高的溶血率，但两者的溶血率都在可耐受标准内(< 2-5 %，非溶血)。

图5 生物相容性测试

• 药物的负载和持续释放

Ti6Al4V植入物的持续药物递送是实现抗菌性能的途径。因此，作者将CFX、TCN和AMX抗生素以及ASA抗炎剂被分别装载并从Ti-HABDDE和Ti-HADVS水凝胶涂层中持续释放(图6)。由于它们的物理化学特性，两种基于HA的水凝胶涂层显示出不同的药物释放曲线。膨胀能力较高的Ti-HADVS产生最高的最大药物释放剂量和最快的药物扩散能力，而膨胀性较低的Ti-had DDE显示出最低的药物释放能力。

图6 药物的负载与释放

• 抗菌性能

最后，作者评估了原始Ti6Al4V、Ti-HABDDE和Ti-HADVS的抗生膜活性，以金黄色葡萄球菌和大肠杆菌为代表评估植入物引起的相关感染(图7)。选择24小时进行抗菌膜测试，因为此时期被认为是细菌粘附、增殖和随后生物膜形成的最关键时期。与原始Ti6Al4V相比，基于HA的水凝胶涂层降低了两种细菌菌株中的SYTO-9荧光强度，证实了它们成功的细菌排斥机制。

图7 抗菌性能

综上，本文在Ti6Al4V表面合成了HA基水凝胶涂层，并对其进行了深入的物理化学和纳米力学表征，证实其为可长期植入的生物材料。水凝胶涂层显示出优异的生物相容性，能够促进细胞增殖、分化和矿化的显著能力以及持续释放药物的能力，且基于羟基磷灰石的水凝胶涂层显示了优异的多功能抗菌活性。

文章来源：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.120366

了解更多

围绕医工交叉领域，EFL建有公众号、相关学术及产业社群，搜索EngineeringForLife公众号了解更多~