LUMiFrac在骨骼修复表面涂层方面的应用

骨修复作为生物医学工程中的一项主要挑战，鼓励了各种新方向。其中，结构金属是骨植入材料的一个主要和成熟的类别。目前在该类别中，Ti6Al4V (TC4) 是最常用的，因为它具有优异的平衡性能，例如：相对较低的弹性模量和防腐性能。然而，TC4显示出各种不良反应，例如缺乏骨诱导性、生物活性弱、耐磨性差和应力屏蔽，这往往限制了其在长期临床使用中的广泛应用。另一方面，需要改进钛合金上细胞和组织的粘附、增殖和分化，以确保长期手术成功。

研究人员采用了一系列物理和化学处理方法来改变种植体表面，将软聚合物应用在硬质金属基材表面以提高其体内反应。丝素蛋白（SF）是一种众所周知的天然纤维蛋白聚合物，已应用于骨组织的修复和再生，并被证明是一种有效的骨细胞增殖、成骨和骨矿化支架材料。也能够通过β-折叠物理交联在钛基医疗材料上形成强水凝胶的SF涂层，改善植入物的生物活性、机械性能和细胞生长。

    尽管钛及其合金上的聚合物涂层取得了进展，但仍然存在挑战。例如，聚合物和合金基材之间的弱结合使得涂层很容易剥落。该实验的目的是建立一种方便的物理沉积方法，以在最常用的 TC4 合金上制造SF涂层，旨在提高钛合金在骨组织工程中SF涂层与TC4基材之间的界面结合强度。

2. 实验材料和方法

2.1 钛合金基材的制备

商用TC4 板、医用316 L不锈钢板和CoCrMo 合金，分别切成 15mm *15mm *3mm 的样品。样品首先用碳化硅纸（粒度为80-1000）抛光，然后用丙酮、乙醇和去离子水依次超声清洗10分钟。然后使用喷砂(SB)对样品进行表面处理，使用不同尺寸的氧化铝颗粒在0.3MPa气压下处理30 s，制备了具有不同表面粗糙度的样品。所有样品分别在乙醇和去离子水中清洗。

2.2 丝蛋白涂层的制备

将丝素蛋白（SF）水溶液冷冻干燥，得到丝素蛋白海绵，然后将其溶解到六氟异丙醇（HFIP）中，溶解大约24h。将不同粗糙度的TC4基板的分别浸入这些SF-HFIP 溶液中10分钟，并用保鲜膜密封。先自然干燥（HFIP 挥发）约 24 h，然后在60°C下真空干燥24 h，获得SF涂层。使用乙二醇二缩水甘油醚（EGDE）作化学交联剂、乙醇作构象转变的诱导剂以获得稳定的SF涂层。SF涂层合金样品分别浸入2.5% EGDE水溶液120 分钟和70%乙醇/水溶液30分钟(EGDE、乙醇用于稳定SF涂层)。涂层在自然通风下干燥10 h。

2.3 涂层粘结强度测定

    仪器：LUMiFrac；胶水：3M DP8005；固化条件：室温下固化24h。

如上图所示，基材和涂层通过3M胶水粘附到测试基座（基座最左侧部件为粘附体）上，将基座固定在离心转子上。当施加的离心力超过涂层-基材组件的间拉伸或剪切力时，涂层将从基材上分离。发生分离时软件自动记录转速，并通过SEPView软件计算获得结果。

每组四个样品（具有相同的涂层厚度和基材粗糙度）用于统计分析。

3. 结果

Fig.1 不同TC4样品上SF涂层失效形态

Fig.1显示了从不同 TC4 基材（下）剥离的 SF 涂层（上）形态。大多数粘附体表面有完整的圆形涂层，认为SF涂层被有效分离，该数据结果是有效的。

3.1 基材粗糙度对粘结强度的影响

Fig.2 粘结强度与基材粗糙度之间的关系。

图2和显示了粘结强度与基材粗糙度和涂层厚度的函数关系。首先粘结强度随粗糙度的增加而上升到约7.5±1.0 MPa (Ra 1.0 μm)，然后随着粗糙度的进一步增加而表现出降低的趋势。该结果证明，优化基材的表面粗糙度可以显着提高聚合物涂层的附着力，改善涂层的机械锚固。

3.2 涂层厚度对粘结强度的影响

Fig.3粘结强度与SF涂层厚度之间的关系。

在图3中，显示了粘结强度与涂层厚度的函数关系。粘结强度随着涂层厚度的增加而降低。当涂层厚度从15 μm增加到100 μm时，粘结强度从7.5 MPa下降到约2.3 MPa。拟合非线性衰减曲线以显示涂层厚度对粘附强度的影响。

3.3 基材材质对粘结强度的影响

Fig.4三种医用级金属（具有相同表面粗糙度 Ra=1.0 μm的 TC4 合金、CoCrMo 合金和316L不锈钢）上SF 涂层的附着强度

为了更进一步，也为了证明涂层方法的普适性，测试了 SF 涂层在其他两种医用金属（CoCrMo 合金和 316 L 不锈钢）上的附着强度。图4表明TC4、CoCrMo合金和316L不锈钢的平均附着强度分别为7.4±1.0、6.2±1.2和7.1±1.2MPa。统计分析表明，不同基材之间没有显着差异。该结果意味着涂层在基材上的粘附应主要是通过机械锁定的物理附着。

4. 结论

总之，我们通过在非水性 SF-HFIP 溶液中进行物理浸涂，成功地在 TC4 合金和其他医用金属上制备了紧密结合的丝素蛋白 (SF) 涂层。通过调节SF-HFIP溶液的浓度，可以根据需求获得厚度介于 15-100μm范围内的涂层。 SF涂层能够很好地嵌入TC4基材的光滑或粗糙表面，形成透明、光滑且均匀的表面。

 SF 涂层的粘结强度受基材粗糙度和涂层厚度的影响。在基材粗糙度Ra~1 μm时，附着强度达到最大值7MPa，而附着强度在10-100 μm范围内随着涂层厚度的减小而增加。这种现象可以用经典的机械互锁理论来解释。重要的是，SF涂层也可以制造在具有相似粘附强度的其他生物医学金属上，这有望用于SF生物聚合物和骨植入物的表面改性。