絲素蛋白涂層助力TC4合金提升骨骼修復(fù)植入物性能

7/7絲素蛋白涂層助力TC4合金，提升骨骼修復(fù)植入物性能骨修復(fù)作為生物醫(yī)學(xué)工程中的一項(xiàng)主要挑戰(zhàn)，鼓勵(lì)了各種新方向。其中，結(jié)構(gòu)金屬是骨植入材料的一個(gè)主要和成熟的類別。目前在該類別中，Ti6Al4V(TC4)是最常用的，因?yàn)樗哂袃?yōu)異的平衡性能，例如：相對(duì)較低的彈性模量和防腐性能。然而，TC4顯示出各種不良反應(yīng)，例如缺乏骨誘導(dǎo)性、生物活性弱、耐磨性差和應(yīng)力屏蔽，這往往限制了其在長(zhǎng)期臨床使用中的廣泛應(yīng)用。另一方面，需要改進(jìn)鈦合金上細(xì)胞和組織的粘附、增殖和分化，以確保長(zhǎng)期手術(shù)成功。

研究人員采用了一系列物理和化學(xué)處理方法來(lái)改變種植體表面，將軟聚合物應(yīng)用在硬質(zhì)金屬基材表面以提高其體內(nèi)反應(yīng)。絲素蛋白（SF）是一種眾所周知的天然纖維蛋白聚合物，已應(yīng)用于骨組織的修復(fù)和再生，并被證明是一種有效的骨細(xì)胞增殖、成骨和骨礦化支架材料。也能夠通過(guò)β-折疊物理交聯(lián)在鈦基醫(yī)療材料上形成強(qiáng)水凝膠的SF涂層，改善植入物的生物活性、機(jī)械性能和細(xì)胞生長(zhǎng)。

盡管鈦及其合金上的聚合物涂層取得了進(jìn)展，但仍然存在挑戰(zhàn)。例如，聚合物和合金基材之間的弱結(jié)合使得涂層很容易剝落。該實(shí)驗(yàn)的目的是建立一種方便的物理沉積方法，以在最常用的TC4合金上制造SF涂層，旨在提高鈦合金在骨組織工程中SF涂層與TC4基材之間的界面結(jié)合強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)材料和方法

01鈦合金基材的制備

商用TC4板、醫(yī)用316L不銹鋼板和CoCrMo合金，分別切成15mm*15mm*3mm的樣品。樣品首先用碳化硅紙（粒度為80-1000）拋光，然后用丙酮、乙醇和去離子水依次超聲清洗10分鐘。然后使用噴砂(SB)對(duì)樣品進(jìn)行表面處理，使用不同尺寸的氧化鋁顆粒在0.3MPa氣壓下處理30s，制備了具有不同表面粗糙度的樣品。所有樣品分別在乙醇和去離子水中清洗。

02絲蛋白涂層的制備

將絲素蛋白（SF）水溶液冷凍干燥，得到絲素蛋白海綿，然后將其溶解到六氟異丙醇（HFIP）中，溶解大約24h。將不同粗糙度的TC4基板的分別浸入這些SF-HFIP溶液中10分鐘，并用保鮮膜密封。先自然干燥（HFIP揮發(fā)）約24h，然后在60°C下真空干燥24h，獲得SF涂層。使用乙二醇二縮水甘油醚（EGDE）作化學(xué)交聯(lián)劑、乙醇作構(gòu)象轉(zhuǎn)變的誘導(dǎo)劑以獲得穩(wěn)定的SF涂層。SF涂層合金樣品分別浸入2.5%EGDE水溶液120分鐘和70%乙醇/水溶液30分鐘(EGDE、乙醇用于穩(wěn)定SF涂層)。涂層在自然通風(fēng)下干燥10h。

03鈦合金基材的制備

儀器：LUMiFrac；膠水：3MDP8005；固化條件：室溫下固化24h。

如上圖所示，基材和涂層通過(guò)3M膠水粘附到測(cè)試基座（基座最左側(cè)部件為粘附體）上，將基座固定在離心轉(zhuǎn)子上。當(dāng)施加的離心力超過(guò)涂層-基材組件的間拉伸或剪切力時(shí)，涂層將從基材上分離。發(fā)生分離時(shí)軟件自動(dòng)記錄轉(zhuǎn)速，并通過(guò)SEPView軟件計(jì)算獲得結(jié)果。

每組四個(gè)樣品（具有相同的涂層厚度和基材粗糙度）用于統(tǒng)計(jì)分析。

結(jié)

果

圖1：不同TC4樣品上SF涂層失效形態(tài)

圖1顯示了從不同TC4基材（下）剝離的SF涂層（上）形態(tài)。大多數(shù)粘附體表面有完整的圓形涂層，認(rèn)為SF涂層被有效分離，該數(shù)據(jù)結(jié)果是有效的。

01基材粗糙度對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響

圖2和圖3顯示了粘結(jié)強(qiáng)度與基材粗糙度和涂層厚度的函數(shù)關(guān)系。首先粘結(jié)強(qiáng)度隨粗糙度的增加而上升到約7.5±1.0MPa(Ra1.0μm)，然后隨著粗糙度的進(jìn)一步增加而表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)。該結(jié)果證明，優(yōu)化基材的表面粗糙度可以顯著提高聚合物涂層的附著力，改善涂層的機(jī)械錨固。

圖2：粘結(jié)強(qiáng)度與基材粗糙度之間的關(guān)系。

02涂層厚度對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響

在圖3中，顯示了粘結(jié)強(qiáng)度與涂層厚度的函數(shù)關(guān)系。粘結(jié)強(qiáng)度隨著涂層厚度的增加而降低。當(dāng)涂層厚度從15μm增加到100μm時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度從7.5MPa下降到約2.3MPa。擬合非線性衰減曲線以顯示涂層厚度對(duì)粘附強(qiáng)度的影響。

圖3：粘結(jié)強(qiáng)度與SF涂層厚度之間的關(guān)系

03基材材質(zhì)對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響

為了更進(jìn)一步，也為了證明涂層方法的普適性，測(cè)試了SF涂層在其他兩種醫(yī)用金屬（CoCrMo合金和316L不銹鋼）上的附著強(qiáng)度。圖4表明TC4、CoCrMo合金和316L不銹鋼的平均附著強(qiáng)度分別為7.4±1.0、6.2±1.2和7.1±1.2MPa。統(tǒng)計(jì)分析表明，不同基材之間沒(méi)有顯著差異。該結(jié)果意味著涂層在基材上的粘附應(yīng)主要是通過(guò)機(jī)械鎖定的物理附著。

圖4：三種醫(yī)用級(jí)金屬（具有相同表面粗糙度Ra=1.0μm的TC4合金、CoCrMo合金和316L不銹鋼）上SF涂層的附著強(qiáng)度

結(jié)

論

總之，我們通過(guò)在非水性SF-HFIP溶液中進(jìn)行物理浸涂，成功地在TC4合金和其他醫(yī)用金屬上制備了緊密結(jié)合的絲素蛋白(SF)涂層。通過(guò)調(diào)節(jié)SF-HFIP溶液的濃度，可以根據(jù)需求獲得厚度介于15-100μm范圍內(nèi)的涂層。SF涂層能夠很好地嵌入TC4基材的光滑或粗糙表面，形成透明、光滑且均勻的表面。

SF涂層的粘結(jié)強(qiáng)度受基材粗糙度和涂層厚度的影響。在基材粗糙度Ra~1μm時(shí)，附著強(qiáng)度達(dá)到最大值7