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聚乙烯亞胺(PEI)作為鎂(Mg)的涂層，表現(xiàn)出令人滿意的防腐能力和良好的粘附強(qiáng)度，我們改變了PEI涂層鎂植入物的物理和化學(xué)性質(zhì)。等離子體浸沒離子注入技術(shù)與直流(DC)磁控濺射相結(jié)合，將生物相容的鉭(Ta)引入到PEI涂層的表面。使其為前成骨細(xì)胞的粘附、增殖和分化產(chǎn)生了長期的表面親水性并顯示出顯著增強(qiáng)的骨組織親和力和骨整合能力。

01、研究內(nèi)容簡介

鎂及其合金由于其生物可降解性和合適的力學(xué)性能，作為一種很有前途的骨科植入材料引起了廣泛的關(guān)注。由于鎂具有與人類骨骼相似的彈性模量，它可以最大限度地減少應(yīng)力遮擋效應(yīng)，同時(shí)為骨折部位的生理負(fù)荷提供足夠的機(jī)械支持。此外，由于鎂離子具有成骨和促骨作用，鎂植入物的降解行為為骨質(zhì)疏松癥或骨質(zhì)疏松癥患者提供了有益的刺激。然而，盡管鎂在骨重建和修復(fù)方面有這些優(yōu)點(diǎn)，但在生理?xiàng)l件下，鎂的腐蝕率過高，這是實(shí)際應(yīng)用的主要障礙。

為了解決實(shí)際應(yīng)用的局限性，人們對提高鎂的耐蝕性進(jìn)行了大量的研究，包括與其他金屬元素的合金化，或在鎂表面制備生物陶瓷或聚合物涂層。在這些方法中，聚合物涂層系統(tǒng)可以通過提供物理屏障來降低鎂的腐蝕率，從而防止鎂與周圍任何腐蝕性介質(zhì)直接接觸。此外，聚合物具有多種物理和化學(xué)性質(zhì)，為防腐提供了多種選擇。在過去的幾十年里，人們開發(fā)了許多合成聚合物，如聚乳酸、聚L-乳酸-共聚糖、聚二氧六環(huán)酮、聚1，3-三亞甲基碳酸酯和聚乙烯亞胺(PEI)，以探索其作為植入體保護(hù)性涂層的可行性。

等離子體浸沒離子注入(PIII)技術(shù)的最新進(jìn)展為解決這一問題提供了很有希望的機(jī)會(huì)。PIII通過電離輻射改變聚合物表面處于相對活性狀態(tài)的獨(dú)特能力有利于改善表面疏水性，而不會(huì)對防腐性能產(chǎn)生負(fù)面影響。在這項(xiàng)技術(shù)中，等離子體中的離子在施加襯底偏壓的情況下加速到襯底表面，與襯底形狀非常一致，這使得無論樣品幾何形狀如何，整個(gè)表面的均勻修飾都成為可能。此外，離子注入的表面層由于其在襯底內(nèi)的結(jié)構(gòu)連續(xù)性，可用于提高界面強(qiáng)度，從而確保機(jī)械穩(wěn)定性和可靠性。然而，PIII技術(shù)只能應(yīng)用于高耐熱聚合物，因?yàn)樗奶幚頃r(shí)間很長。通常，對聚合物表面進(jìn)行改性需要幾個(gè)小時(shí)，這會(huì)在離子輻照區(qū)域?qū)е麓罅繜崃糠e累，進(jìn)而導(dǎo)致聚合物的熱變形、分解和破壞。因此，為了成功地對聚合物涂層鎂植入物進(jìn)行表面修飾，需要一種快速有效的PIII技術(shù)。

最近開發(fā)的基于濺射的PIII(S-PIII)技術(shù)利用直流磁控濺射槍產(chǎn)生大量金屬離子，確保在高劑量下將大量金屬離子注入到聚合物上，同時(shí)將處理時(shí)間減少到幾十秒，從而最大限度地減少了對聚合物襯底的熱損害，并擴(kuò)大了PIII技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。特別是，由于鉭(Ta)具有良好的生物相容性和骨整合能力，當(dāng)用作金屬離子源時(shí)，它為成骨細(xì)胞的黏附和生長提供了良好的表面環(huán)境，從而促進(jìn)了種植體與周圍骨組織之間的新骨形成和整合。

因此，為了研究S-PIII的可行性和有效性，PEI被用作鎂種植體的代表性聚合物涂層材料，因?yàn)樗哂型怀龅姆栏芰蛯︽V表面的粘附性，而且對宿主骨的生物響應(yīng)也很差。采用旋涂的方法在鎂基體上形成均勻的PEI涂層，然后用Ta離子進(jìn)行S-PIII處理，得到Ta/PEI涂層的鎂，然后評價(jià)表面特性、防腐能力、潤濕性和成骨細(xì)胞反應(yīng)的變化，并與鎂基體進(jìn)行比較。

鉭/聚乙烯亞胺涂層鎂植入物的腐蝕行為。在SBF浸沒條件下，測量了從鎂基體，PEI涂層和Ta/PEI涂層的Mg樣品的表面產(chǎn)生的H2氣體（Mg腐蝕的主要副產(chǎn)物之一）的量。如圖1a所示，鎂基體隨H2氣體放出量的急劇增加而迅速腐蝕。相反，與鎂基體相比，PEI涂覆的鎂和Ta/PEI涂覆的鎂表現(xiàn)出顯著降低的腐蝕速率。從兩個(gè)表面穩(wěn)定地（但逐漸地）產(chǎn)生了H2氣體，導(dǎo)致整個(gè)浸入時(shí)間幾乎呈線性分布。

圖1b顯示了每個(gè)Mg樣品在SBF溶液中浸泡14天后的結(jié)構(gòu)變化和剩余體積。在重建的μ-CT圖像中（圖1b–1），鎂基體腐蝕局部進(jìn)行。浸入三天后，其外表面會(huì)出現(xiàn)深而狹窄的空腔。隨著浸沒時(shí)間的增加，腐蝕的深度和寬度都會(huì)增加，在14天后會(huì)導(dǎo)致粗糙和不規(guī)則的表面形貌。相比之下，PEI涂層和Ta/PEI涂層的Mg表面基本上是原始的，浸入六天后未觀察到明顯的腐蝕。14天后，腐蝕仍然很小，幾乎不存在。定量結(jié)果（圖1b–2）顯示了形態(tài)分析與Mg樣品的殘留量之間的一致性。顯然，PEI涂層的鎂和Ta/PEI涂層的鎂的失重速度比鎂基體慢。實(shí)際上，就PEI涂層和Ta/PEI涂層的Mg樣品的腐蝕防護(hù)能力而言，無法觀察到顯著差異。

圖1c顯示了從H2氣體逸出量測量和μ-CT表征計(jì)算得出的鎂基體平均體外腐蝕速率的材料損失。值得注意的是，與涂有PEI的鎂相比，鎂基體腐蝕速率顯更快。兩次測量之間沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（p> 0.05）。

圖1  (a)基體、PEI涂層的和Ta/PEI涂層的鎂樣品在SBF溶液中浸泡10天后放出氫氣?；w、PEI涂層的和Ta/PEI涂層的鎂種植體在SBF溶液中浸泡14天后的μ-CT特征：(b-1)每個(gè)種植體在浸泡0、3、6和14天時(shí)的3D圖像及其(b-2)剩余體積。(c)植入物的計(jì)算腐蝕率。與鎂基體比，*p<0.05和**p<0.01有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

體內(nèi)生物降解和生物學(xué)評估。為了評估材料的體內(nèi)生物降解能力和成骨能力，將圓柱形鎂基體，PEI涂層和Ta/PEI涂層的Mg樣品分別植入每只兔股骨缺損的兩側(cè)。四周后，通過μ-CT對植入的樣品和樣品周圍的小梁骨進(jìn)行了評估，如圖2所示。植入樣品的2D冠狀和橫斷面圖像清楚地表明了鎂植入物的不良生物反應(yīng)（圖2a）：植入物表面周圍的巨大空隙；周圍的小梁骨組織與植入物表面完全分離，使植入物幾乎未固定在宿主股骨中。在重建的μ-CT圖像中（圖2b），鎂基體表面具有嚴(yán)重腐蝕和粗糙的表面，帶有深腐蝕點(diǎn)和凹痕以及少量的薄骨層。相比之下，PEI涂層和Ta/PEI涂層的Mg樣品具有比鎂基體更好的骨形成和耐腐蝕性：在表面和周圍小梁骨組織上沒有明顯的腐蝕破壞跡象；大部分被新形成的骨組織覆蓋的表面（圖2a和b）。特別是，Ta/PEI涂層的Mg植入體具有出色的骨骼組織相容性。如圖2c所示，PEI涂層和Ta/PEI涂層的Mg植入物的體積減少量減少了約4％，而鎂基體的體積減少量減少了10％。因此，PEI涂層和Ta/PEI涂層的Mg植入物的體內(nèi)腐蝕速率小于鎂基體。另外，如圖2d所示，與鎂基體（p <0.01）和PEI涂覆的Mg植入物（p <0.05）相比，Ta/PEI涂覆的Mg具有統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著的骨形成。

圖2  植入后四周基體、PEI涂層的和Ta/PEI涂層的鎂樣品及其周圍骨骼的μ-CT特征：(a)植入物的2D冠狀和橫斷面圖；(b)兔股骨內(nèi)每個(gè)植入物的3D圖像；(c)腐蝕鎂體積的比率；(d)限定區(qū)域內(nèi)的總骨體積。

在這項(xiàng)研究中，我們介紹了一種新穎的方法來修改聚合物包覆的Mg植入物的表面物理和化學(xué)性質(zhì)。PEI涂層的Mg植入物由于PEI涂層的疏水性和對Mg表面的穩(wěn)定粘附性而具有優(yōu)異的防腐蝕性能。但是，他們沒有顯示出與周圍骨骼骨整合的任何證據(jù)?？焖俚腜III技術(shù)與DC磁控管濺射技術(shù)相結(jié)合，能夠在極短的處理時(shí)間（30 s）內(nèi)將生物相容性金屬離子（Ta）引入PEI涂層的表面，從而生成Ta/PEI涂層的Mg。實(shí)際上，Ta/PEI涂層的Mg沒有明顯的表面損傷。它還具有增強(qiáng)的防腐性能。此外，Ta層顯著增強(qiáng)了表面親水性，并確保了在干燥和潮濕條件下的長期穩(wěn)定性。與鎂基體和PEI包覆的鎂相比，Ta/PEI包覆的鎂在成骨前細(xì)胞的粘附，增殖和分化方面更有利，這可以歸因于Ta的生物活性和生物相容性。在體內(nèi)兔股骨研究中，Ta/PEI涂層的Mg植入物顯示出增強(qiáng)的骨組織親和力和骨整合能力，并且沒有明顯的腐蝕跡象。這些結(jié)果表明，Ta/PEI涂覆的Mg非常適合作為可生物降解的骨科植入物材料。

02、論文第一/通訊作者簡介

Kwang-Hee Cheon

Department of Materials Science and Engineering, Seoul National University.

Hyun-Do Jung

Department of Biomedical-Chemical Engineering, Catholic University of Korea.

Tae-Sik Jang

Department of Materials Science and Engineering, Chosun University.

翻譯：蔡磊，山東科技大學(xué)。

校對：曾榮昌，山東科技大學(xué)。

03、資助信息

本研究得到大韓民國衛(wèi)生和福利部韓國健康產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究所（KHIDI）韓國健康技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目的資助（批準(zhǔn)號(hào)：HI18C0493）。

04、原文信息

K.H. Cheon, C. Park, M.H. Kang, I.G. Kang, M.K. Lee, H. Lee, H.E. Kim, H.D. Jung, T.S. Jang, 

Construction of tantalum/poly(ether imide) coatings on magnesium implants with both corrosion protection and osseointegration properties, 

Bioact Mater 6(4) (2021) 1189-1200. 

doi: 10.1016/j.bioactmat.2020.10.007