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AZ31鎂合金表面通過(guò)葉綠素銅誘導(dǎo)的Ca-P涂層的體外降解、光動(dòng)力與光熱抗菌活性研究

嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2022-07-20 22:40

由于常見(jiàn)的骨植入物術(shù)后感染引起的手術(shù)失敗，光熱療法(PTT)和光動(dòng)力療法(PDT)因其對(duì)組織的非侵害性抗菌作用以及不會(huì)產(chǎn)生細(xì)菌耐藥性而受到廣泛關(guān)注。我們利用層層組裝技術(shù)在AZ31鎂合金表面通過(guò)葉綠素銅誘導(dǎo)Ca-P涂層，制備的涂層表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性、抗菌活性和相容性。對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為99.9%和99.8%，光熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)42.1%。并提出了三重抗菌機(jī)制，包括光動(dòng)力反應(yīng)、光熱反應(yīng)和銅離子釋放。

01研究?jī)?nèi)容簡(jiǎn)介

鎂（Mg）及其合金具有可生物降解的優(yōu)點(diǎn)，接近天然骨骼的彈性模塊和優(yōu)良的機(jī)械特性。它們的降解產(chǎn)物鎂離子也是人體組織的生長(zhǎng)所必需的元素。它們可以用作內(nèi)固定骨植入材料，以用來(lái)避免二次手術(shù)。然而，過(guò)快的降解速度和抗菌性能的不足限制了鎂合金在骨科中的應(yīng)用。

通常，Ca-P 涂層具有優(yōu)異的生物相容性和骨整合性，可用于減輕鎂合金的降解速率。通過(guò)層層組裝技術(shù)（LbL）制備的鈣磷涂層具有可控性、功能性和分子識(shí)別性等優(yōu)點(diǎn)，并且因其良好的附著力和均勻性而得到認(rèn)可。然而，骨植入物術(shù)后頻繁的感染成為最嚴(yán)重的并發(fā)癥之一，并會(huì)導(dǎo)致植入手術(shù)失敗和器官的感染。為了找到更好的解決辦法，近年來(lái)光動(dòng)力療法（PDT）和光熱療法(PTT)已被用于光輻照治療細(xì)菌感染和癌癥，并由于其抗菌譜廣，無(wú)微生物耐藥性，抑菌速度快等優(yōu)點(diǎn)受到人們的廣泛關(guān)注。

葉綠素銅鈉鹽（SCC）是一種從葉綠素中提取的水溶性銅鈉鹽，具有良好的生物相容性，幾十年來(lái)一直用作食用染料和傷口愈合促進(jìn)劑。SCC的抗癌活性因其在PDT或PTT中的良好效果而受到納米生物材料領(lǐng)域的密切關(guān)注。葉綠素銅是一類四吡咯化合物，由被取代基包圍的含銅中心離子的平面卟啉核心組成。SCC中的卟啉環(huán)有26個(gè)p電子，是一個(gè)高度共軛的體系，這決定了SCC具有優(yōu)良的電子轉(zhuǎn)移能力、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、強(qiáng)的光子吸收能力、高效的電子轉(zhuǎn)移以及高感光性能，使其成為了負(fù)載在生物金屬活性表面層中很有前景的光敏劑。另一方面，在SCC結(jié)構(gòu)中心的銅離子的作用不容小覷。銅離子是不可缺少的對(duì)人體健康起著重要作用的微量元素并在人體酶中發(fā)揮重要作用，促進(jìn)細(xì)胞呼吸、神經(jīng)遞質(zhì)和肽激素的產(chǎn)生。除此之外，銅離子還具有良好的抗菌性。

因此，SCC可以提供三重抗菌活性，可以協(xié)同PDT、PTT和在脫金屬反應(yīng)后釋放的銅離子。在這項(xiàng)研究中，采用LbL法在AZ31合金表面通過(guò)SCC誘導(dǎo)了10層Ca-P涂層，深入了解了涂層的形成、腐蝕過(guò)程和抗菌機(jī)制。制備的含銅(Ca–P/SCC)10涂層具有良好的耐腐蝕性、優(yōu)異的抗菌性能，同時(shí)具有良好的生物相容性。

基于SCC在鎂合金表面的抗菌應(yīng)用前景，山東科技大學(xué)曾榮昌教授團(tuán)隊(duì)對(duì)“體外降解、光動(dòng)力和光熱抗菌活性的在AZ31鎂合金表面葉綠素銅誘導(dǎo)的Ca-P涂層”進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，樣品的形貌和組成通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）與附屬的能譜儀(EDS)、X射線衍射儀(XRD)、傅里葉紅外光譜儀(FTIR)和X射線光電子能譜儀（XPS）進(jìn)行表征。通過(guò)動(dòng)電位極化曲線、電化學(xué)阻抗譜（EIS）和析氫實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)估樣品的腐蝕行為。采用火焰原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定樣品在模擬體液中不同浸泡時(shí)間下的銅元素含量。使用活/死細(xì)胞染色（MTT法）和平板計(jì)數(shù)法評(píng)價(jià)樣品的體外細(xì)胞毒性和抑菌性能。獲得的(Ca–P/SCC)10涂層表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性、抗菌活性（尤其是在808 nm近紅外光照射下）和生物相容性。

本研究表明，如圖1所示，(Ca-P/SCC)10涂層的整體析氫體積（HEV）和析氫速率（HER）遠(yuǎn)低于AZ31基體，說(shuō)明(Ca-P/SCC)10涂層有效阻斷了溶液與基體之間的離子交換。樣品在HBSS中浸泡至60小時(shí)，析氫速率（HER）會(huì)驟增，對(duì)比分析未經(jīng)SCC誘導(dǎo)的鈣磷涂層，其原因可能是在涂層的降解過(guò)程中卟啉脫金屬反應(yīng)釋放的銅離子，這種情況逐漸導(dǎo)致(Ca-P/SCC)10涂層和AZ31基體中的Al-Mn和α-Mg相之間的電偶腐蝕增強(qiáng)。浸泡至大約200小時(shí)后，腐蝕產(chǎn)物的形成和樣品的腐蝕達(dá)到平衡。