基于微喷技术的钛合金表面载药涂层制备方法

孙波，孙怀远,2 △，宋晓康，刘志强

(1.上海理工大学 上海 200093；2.上海健康医学院 上海 200093)

1 引 言

随着医疗技术的不断进步和人们生活水平的不断提高，诸如人工关节、骨折内固定及脊柱矫形器械等金属内植物的市场需求量不断攀升，其中生物医用钛合金材料以其优良的性能，成为全球外科植入物及矫形器械产品生产所需的主要金属材料[1]。而钛合金类内植物的相关感染问题一直存在，这类感染被称之为“生物材料相关感染”[2]。随着金属内植物在生物医学产业中越来越多的应用，其感染率也随之上升，已成为亟待解决的难题。目前认为，金属表面载药涂层是解决金属内植物表面感染问题的重要方式之一[3]。

金属表面涂层技术的研究由来已久，传统的工艺方法有浸涂法、热喷涂法、等离子喷涂、溶胶凝胶法和涂覆烧结法等；现代制作工艺更加精确可控，比如超声雾化喷涂。本研究提出一种新的涂层工艺制作方法，数字化微量喷涂法，基于压电微喷技术，在金属表面制作三氯生-PLGA聚合物涂层。

数字化微喷系统是微流体控制应用的一个重要体现。该系统基于驱动技术、气压控制、微喷嘴、视觉技术和软件控制等技术来实现可视化的微流体喷射过程[4]。微喷技术喷射过程液滴量级低至皮升级，并且可控性好，可以实现连续喷射和按需喷射两种模式；该技术还具有高精度、高利用率和非接触式等特点。目前，基于微喷的诸多优点，该技术已在组织工程、生物医药、印刷电子和光学器件等领域进行研究应用。在生物制药领域，微喷技术主要用于微胶囊制造、心血管支架涂层和可控释放药物制造[5]。

2 实验

2.1 材料和微喷系统

钛合金片20 mm×20 mm； 聚乳酸-羟基乙酸(PLGA，50:50，分子量38000)，济南聚福凯生物技术有限公司提供，作为药物载体；三氯生(Triclosan，纯度>99.9%)，一种广谱抗菌剂，上海一飞生物科技有限公司提供；其他试剂均为分析纯。

数字化三维微喷系统示意图，见图1，主要由喷射、驱动、气压、视觉等模块组成。精确的平台运动模块和数字驱动喷射模块可以实现精准的液滴喷射过程；机器视觉模块(工业CCD相机)可实现液滴喷射的过程的实时观测。实验所用微喷头为MicroFab公司的MJ-A系列可加热压电喷头，其工作原理是利用了逆压电效应，由喷头内部的压电换能器产生体积变化，使腔内液体产生压力波，带动腔内液体一起运动，压力波传至喷嘴处转换为流体动能，使微液滴从喷嘴喷出[6]。该喷头可实现连续打印及按需打印两种工作模式，适用于点喷水性物质或相关溶液产生微小液滴。

图1 微喷系统示意图

Fig1Digitalmicro-injectionsystemdiagram

2.2 涂层制备、表征和释放

2.2.1制备涂层 微喷系统控用于调控喷头喷射行为的参数包括两个——脉冲电压和频率，本实验用于驱动压电喷头的脉冲电压波形见图2。试验中保证Rise Time1、2, Dwell Time, Fall Time, Echo Time , Idle Voltage参数不变，调整住电压(Dwell Voltage)和频率(Frequency)进行喷涂。

图2 用于驱动喷射的脉冲波形

Fig2Thepulsewaveformusedtodrivethejet

对钛合金片进行预处理，分别用400、800、1200目砂纸进行打磨处理，然后放入无水乙醇中进行超声清洗5 min。三氯生-PLGA-二氯甲烷溶液配制：精确称取定量三氯生和PLGA充分溶解于10 ml二氯甲烷溶液中。

在预实验的基础上，电压和频率参数的限定见表1，进行最终的喷涂实验研究。在处理后的钛合金片上进行喷涂，调用矩阵喷射程序，在“On The Fly”模式下喷涂一个10 mm×10 mm的矩形区域，重复进行喷涂10遍。在喷涂完成后，将钛合金片置于真空干燥箱中，干燥6 h。

2.2.2涂层形貌表征 将制备好的PLGA载三氯生含药涂层钛合金片在场发射环境扫描电子显微镜(美国FEI公司，Quanta FEG 450)下进行观测，以确定涂层表面形貌特征，部分扫描图像见图3(图示为500倍的扫描电镜照片对比)。

表1 微喷系统喷射参数设置

2.2.3药物释放研究 采用紫外分光光度计(赛默飞世尔科技公司，NanoDropTM2000/2000C)测定释放溶液中药物浓度。将制备的钛合金表面载药涂层置于10 ml PBS缓冲溶液中(pH=7.2)，溶液中加入0.5%的十二烷基苯磺酸钠(促进三氯生溶于缓冲液中)，放置在37℃恒温箱中。每隔5 h进行一次取样，取样后补足PBS缓冲液。利用紫外分光光度计对样品液进行测试(280.5 nm)，分析数据并绘制药物释放曲线。

3 结果与讨论

3.1涂层的形貌

利用单一变量控制方法，探究了电压和频率对微喷涂层的影响。参数的变化，影响了液滴喷射过程，主要表现在液滴的大小和喷射速率，最终影响了涂层的表面特征[7]。图3为扫描电镜照片，对应的涂层制备参数如图中所示(D对应Dewell Voltage值，F对应Frequency值)。

电压Dwell Voltage控制组(频率800 Hz)部分涂层扫描电镜照片见图3(1～4)，该组实验获得的药物涂层表面较粗糙，不均匀，有斑点。随着电压的逐渐增大，液滴逐渐趋于均匀稳定，涂层相对平整光滑；当电压增至56 V时，涂层最佳，见图中编号3，随后，液滴出现微小卫星滴，喷涂不稳定，涂层形貌差。

电压Dwell Voltage控制组(频率1 000 Hz)部分涂层扫描电镜照片见图3(5～8)，涂层表面平整光滑，极少出现斑点，在电压在46～58 V时，液滴状态大小均匀稳定，获得较好涂层。

频率控制组部分涂层扫描电镜照片见图3(9～12)，随着频率的变化，涂层表面形貌随之改变。该组实验中，频率在1100 Hz时，获得了较好的涂层(见图3中11)，频率减小或增大时，均出现相对不均匀的涂层形貌。

图3PLGA载药涂层扫描电镜照片，扫描放大倍数500。

Fig3ThescanningelectronmicrographsofPLGAdrugcoating,scanningmagnification500.

以上结果表明，微喷系统电压和频率对于喷涂过程有着重要的影响。在涂层制备过程中，合理调整电压和频率，在可视化喷点系统下，保证形成的液滴达到较好的状态，避免出现卫星滴等情况，才能确保制备出表面光滑均匀的药物涂层。

3.2药物释放曲线

载药涂层的药物释放有着至关重要的作用，一个理想的载药涂层要能按药物作用模式释放药物，并且释放药物的浓度与时间可控制[8]。

三氯生是一种广谱抗菌剂，广泛应用于日用化学品、医疗消毒、及卫生保健产品等，能够有效抑制有害细菌大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，其有效抑菌浓度为0.2～20 mg/ml。段可等利用PLGA微球载三氯生抗生素，三氯生有效释放并抑制了细菌滋生[9]。

本实验药物释放曲线的测定，选择了3组药物涂层(喷涂参数均为脉冲电压46 V，喷射频率1 000 Hz)作为研究对象，图4为三氯生药物浓度曲线。从图中可以看出，释放分为两个阶段，第一个阶段是初期的药物突释，在最初30 h，载药涂层释放的药物浓度迅速升到了0.4 mg/ml；第二个阶段是药物的缓慢释放阶段，在30～100 h这段时间内，药物浓度平稳增长，增幅变缓。释放实验表明，由微喷技术制备的药物涂层，其释放规律基本满足需要，并能够达到有效抑菌浓度范围。

图4 药物涂层体外释放曲线

4 结论

对采用微喷射技术制备三氯生-PLGA载药涂层的测试与分析得到以下结论：

(1) 微喷技术应用于金属表面制备载药涂层具备可行性，其中喷涂参数电压和频率是影响载药涂层效果的重要因素；

(2) 扫描电镜照片表明，微喷技术下制备的药物涂层，表面平整光滑，符合对载药涂层的基本要求；

(3) 药物释放实验表明，三氯生-PLGA载药涂层释放分为快速释放和缓慢释放两个阶段，其释放的药物能够达到有效的抑菌浓度。