电泳沉积技术在生物合金上的应用

田孟娜，林章飞，吴文鹏，唐文艳

(河南大学 化学化工学院，河南省镁合金绿色防腐技术工程研究中心，河南 开封 475004)

生物医用金属是指在生物体内使用的合金或金属，是一种具有较高的抗疲劳性和机械强度的惰性材料[1]，一般可应用于骨的固定[2-3]、血管支架[4-6]、脊柱骨折和畸形的稳定和矫正以及骨组织的替换[7]等。近年来，随着社会老龄化的发展，全球对植入物的需求量越来越大[8-11]。目前，市面上广泛应用的医用合金[1,12]有钛合金、铁合金以及镁合金等。虽然金属植入物来源广泛，但是由于金属的磨损以及腐蚀会对宿主细胞产生直接或间接的影响，且植入后的细菌感染也是一大难题，金属植入生物体内可能会有较大的风险[13]。为了实现长期修复和良好的临床效果，可以在金属合金上制备具有耐蚀性、抗菌性和生物相容性的涂层[14-15]。目前制备涂层的方法有等离子体氧化法[16-17]、提拉浸渍法[18]、旋涂法[19]、LBL自组装法[20-21]以及电泳沉积法等。其中，电泳沉积法能够有效控制涂层厚度且可在复杂形状上进行有效沉积，因而广泛应用于生物医用合金涂层的制备。

1 电泳沉积技术

1.1 定义及其装置

电泳沉积技术(EPD)[22-24]，即在外加电场下，悬浮液中的阴阳离子定向移动到不同极板并在极板上沉积成薄膜的一种技术。由于其具有操作简便，对周围环境要求较低，设备简单，可以在复杂形状上进行有效沉积，并可以调控沉积厚度等一系列优点而广泛应用于生物陶瓷涂层的加工中。电泳沉积装置(图1)只需一个直流电源和一个电解槽，在电解槽中加入悬浮液以及电极，当在两极板间施加足够的电压后，悬浮液中的阴阳离子定向向两极进行移动，并在极板上进行沉积。

图1 电泳沉积装置图Fig.1 Schematic illustration of an EPD cell

1.2 影响因素

影响沉积涂层质量的因素主要分为两方面[25]：1)与悬浮液有关的参数，如粒径大小、浓度、溶剂等；2)与沉积有关的物理参数，如电压、沉积时间等。

1.2.1 电压

电泳过程中最重要的工艺参数之一是电压[26]，施加电压的大小对膜层的厚度以及均匀性有很大的影响。一般来说，沉积量与电压成正比例关系，但随着电压的增大，沉积量过高会显著降低沉积涂层的质量。魏磊等[27]在不同电压条件下在钛基体上制备了CS-BG-HA-HNT纳米复合镀层，经过极化曲线外推法，与10和50 V沉积电压相比，30 V沉积电压下具有较低的腐蚀电流密度以及较高的腐蚀电位。SEM表征发现30 V沉积电压下基体表面涂层厚且无孔洞，10 V沉积时的涂层较薄，50 V时有较多的孔洞。主要原因可能是电压的加大导致粒子运动过快，粒子的无序排列促使了不均匀涂层的产生。Mahmoodi等[28]通过在不同电压40～100 V在紫铜上沉积纳米Al2O3，发现在100 V以内，随着沉积电压的增加，沉积的涂层更加均匀和致密；超过100 V后，膜层质量降低。经COMSOL软件进行模拟发现，当电压小于极限电压100 V时电极间的流场以及基板上压力分布均匀，而在施加电压大于100 V时，极间流场以及压力分布不均，对沉积涂层的质量造成了较大的影响。

1.2.2 悬浮液组成

由于水在低电场作用下就可发生电解，导致阴阳两电极上产生气体，严重影响了成膜的均匀性以及膜层的致密性[29]。因此，在电泳沉积过程中，使用有机溶剂是有必要的。Khanmohammadi等[30]在不同溶剂中通过电泳沉积在钛表面制备了生物玻璃涂层，通过添加三乙醇胺获得较为稳定的悬浮液，经研究发现，在小分子醇悬浮液中获得了性能较佳的涂层。Cordero-Arias等[31]探究了不同醇水比例对悬浮液稳定性的影响，最终选定醇水体积比为80∶20，悬浮液具有较高的稳定性，静止192 h后未有明显沉降，悬浮液如图2所示。Boccaccini等[32]选用此醇水比，也获得了耐蚀性较好的涂层。

图2 制备后0 h(a)和192 h (b)条件下n-TiO2/壳聚糖悬浮液在乙醇-水(体积比为80∶20)溶剂中的稳定性[31]Fig.2 Stability of n-TiO2/chitosansuspensions in ethanol-water(volume ratio 80∶20) solvent at 0 h(a) and 192 h (b) after preparation[31]

2 电泳沉积在生物合金上的应用

2.1 电泳沉积技术在镁合金上的应用

镁是一种轻金属，它具有与自然骨相似的弹性模量和抗压屈服强度。镁具有良好的生物安全性和生物相容性，在体内可以降解[33]，产物可被身体吸收，过量的镁可随尿液排出体外，因此用于医疗合金时往往不需要进行二次手术取出植入物[34]。地球上镁资源非常丰富，在生物医用金属上有着较为广阔的应用前景，但由于其高活泼性，在人体生理环境中往往腐蚀过快[35]，很大程度上限制了其在生物体内的应用。Ernic等[36]提出镁合金用于生物体内应满足在模拟体液中的腐蚀速率不超过0.5 mm/a，且溶血率小于5%。因此，在镁合金表面上制备具有生物相容性且具有一定耐蚀性的涂层是很有必要的。

经多年研究，Alaei等[37]在AZ91镁合金上制备了含不同浓度的生物活性玻璃的壳聚糖(CS)-生物玻璃(BG)复合涂层，发现在生物玻璃浓度为0.4 g/L时，获得了均匀无裂纹的涂层。随后在模拟体液中进行电化学测试，发现涂覆壳聚糖-生物玻璃涂层的阻抗值均有增加，其中生物玻璃浓度为0.4 g/L时的阻抗比未涂覆涂层的镁合金高出了将近15倍，腐蚀电流密度降低为原来的1/20，在一定程度上为镁合金植入体内创造了条件。Heise等[38]在经过DMEM预处理的WE43镁合金上制备了壳聚糖-生物玻璃涂层，获得了接触角接近55°的适合细胞生长的涂层。在未经DMEM预处理的WE43镁合金上制备了双层壳聚糖-生物玻璃涂层，两种涂层在模拟体液中浸泡3 d均可生成羟基磷灰石层，且经过电化学测试，两种涂层对镁基体均有保护作用。Singh等[39]通过电泳沉积在AZ91镁合金上制备了含有不同浓度的Fe3O4纳米粒子的壳聚糖-生物玻璃-Fe3O4纳米粒子涂层，经过在PBS溶液中浸泡7 d后，涂层表面被矿化且被片状聚集物所覆盖，表明了涂层可诱导羟基磷灰石的形成，证明了涂层增加了镁合金的生物活性，并对手术常见的细菌(金黄色葡萄球菌和大肠杆菌)的抑菌性测试表明，含有1% Fe3O4纳米粒子的涂层有较高的抗菌性，抗菌结果如图3所示。Wu等[40]在经过微弧氧化的AZ91D上制备了磷酸钙/壳聚糖复合涂层，探究了在含有不同醇水溶液配比的悬浮液中进行电泳沉积对生物活性层生成的影响，经过在PBS溶液中浸泡发现在n-HA/壳聚糖-乙酸水溶液的体积分数分别为60%和80%时，获得了具有较好生物相容性的涂层。Rahman等[41]通过阴极电泳沉积在经过阳极氧化的WE43镁合金上有效沉积了磷酸二钙(DCPD)和羟基磷灰石(HA)层，通过将其浸泡在(37±0.5) ℃的模拟体液中观察其降解行为发现裸WE43基体完全降解为26.4 d，涂覆DCPD的镁合金降解时间为307.3 d，涂覆HA的镁合金的降解时间为384.7 d，这表明在镁合金上涂覆的涂层有效减缓了镁合金的腐蚀，为成功植入生物体内创造了有利条件。

图3 BG、Fe3O4、BG@F1、BG@F3和BG@F5涂层对革兰氏阴性和革兰氏阳性菌株产生的抑菌圈的图像(a)和平均值(b)[39]Fig.3 Representative images (a) and average values (b) of inhibition zone produced by BG, Fe3O4, BG@F1, BG@F3 and BG@F5 coatings against both Gram-negative and Gram-positive bacterial strains[39]

2.2 电泳沉积技术在钛合金上的应用

钛合金是一种公认的医用金属材料，具有良好的机械性能、较高的耐蚀性以及生物相容性等诸多优点[42-44]。但钛合金植入体可能会遭受术后细菌感染[45]。研究表明，种植体的抗腐蚀能力、微观结构和表面形态，都影响种植体的物理结合和骨结合[46-47]。因此，如果植入物不能诱导成骨细胞分化以及骨组织生长，将导致种植体植入失败[48]。为改善上述缺点，可以在钛合金上沉积生物涂层。

Estrada等[49]通过VC(电压恒定)-EPD和VP(电压脉冲)-EPD的方法在部分阳极氧化的Ti-6Al-4V上制备了壳聚糖/生物玻璃/银纳米粒子的生物活性复合涂层，并测定了小鼠巨噬细胞产生的乳酸脱氢酶(LDH)和NO。结果显示，通过VP进行沉积的涂层均降低了LDH的释放，表明了涂覆后的基体更有利于巨噬细胞的成活；同时，巨噬细胞产生了大量的NO进行杀菌并消除了对细胞不利的毒素。Jiang等[50]在钛片上沉积了壳聚糖-明胶复合涂层，通过体外生物学实验对涂层的生物相容性进行表征，发现在含有CS/G50、CS/G70涂层上，细胞呈现多边形形貌并广泛分布。CS/G50和CS/G70涂层上的细胞边缘有明亮、明显的细长丝状伪足，表明了细胞能在涂层表面生长、分化，证明了所涂覆涂层具有较好的细胞粘附性以及生物相容性，SEM结果如图4所示。Tao等[51]在通过阴极电泳沉积在胶原修饰的钛板上沉积了载左氧氟沙星的咪唑啉沸石骨架-8(ZIF-8@Levo)纳米粒子，并通过旋涂的方法制备凝胶/壳聚糖涂层以抑制有效物质的释放。抑菌性测验以及体外细胞实验表明该涂层有利于成骨细胞的增殖以及粘附，并对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有着较为明显的抑制作用。

图4 细胞骨架的荧光图像: (a)纯壳聚糖涂层; (b) CS / G30涂层; (c) CS / G50涂层; (d) CS / G70涂层; (e)钛。附于CS/G50和CS/G70涂层的MG63细胞显示出比纯壳聚糖和CS/G30涂层更多的肌动蛋白微丝束(箭头)[50]Fig.4 Fluorescence images of cells skeletons: (a) pure chitosan coating; (b) CS/G30 coating; (c) CS/G50 coating; (d) CS/G70 coating; and (e) titanium. MG63 cells attached to CS/G50 and CS/G70 coatings displayed more bundles (arrow) of actin microfifilaments than pure chitosan and CS/G30 coatings[50]

2.3 电泳沉积在不锈钢上的应用

不锈钢由于具有良好的加工性能、力学性能以及较为低廉的价格，是目前发展中国家较为广泛应用于生物体内的医用合金[52-53]。但不锈钢表面有利于蛋白质的吸附，容易发生感染，且不锈钢具有较差的血液相容性[54]。因此，在其表面制备亲水性，具有抗菌性以及生物活性的涂层可以有效增加不锈钢的应用范围。

Akhtar等[55]等通过交流电泳沉积的方法首次在316L不锈钢上成功制备了壳聚糖/生物玻璃/阿魏酸复合涂层。经后期接触角测试，所有涂层均具有亲水性，且接触角均在利于细胞黏附的范围内。在模拟体液中浸泡7 d后，整个表面均被羟基磷灰石所覆盖(图5)，表明涂覆涂层后的基体具有了一定的生物相容性。通过体外药物实验发现，在10 d内，药物持续释放。通过体外细胞培养发现，细胞能够在涂覆涂层后的基体上很好的铺展，有利于细胞的黏附和生长。后期又进行了涂层的抑菌性测试，复合涂层对金黄色葡萄球菌以及大肠杆菌具有较好的抑制性，且对大肠杆菌抑制性较强，提高了不锈钢在生物体内成功植入的可能性。Rivera等[56]等通过电泳沉积的方法在不锈钢上有效沉积了玉米蛋白/含铜生物玻璃复合涂层，并测试了成纤维细胞、成熟成骨细胞、胎儿前成骨细胞以及内皮细胞的成活性。结果表明，涂层有效增加了不锈钢的生物活性以及细胞相容性。Al-Rashidy等[57]在316L上沉积了壳聚糖-掺杂硼的生物玻璃复合涂层，经过在模拟体液中进行体外生物活性测验表明，浸泡15 d后，表面生成羟基磷灰石层。且涂覆涂层后的Fe2+的释放量减小，即增强了基体的耐蚀性。Rehman等[58]在316L上沉积了聚醚醚酮/生物玻璃复合涂层，该涂层有利于细胞的粘附生长，相较于未涂覆的基体具有较好的细胞相容性。电化学测试以及浸泡实验表明，该涂层增加了316L基体的耐蚀性和生物相容性。

图5 Crt和FA1的SEM图像: (A, D) 3d后，(B, E) 14d后，(C, F)羟基磷灰石高倍图像[55]Fig.5 SEM images of Crt and FA1: (A, D) after 3 d, (B, E) after 14 d and (C, F) high magnification images of hydroxyapatite, respectively[55]

3 结论与展望

本文介绍了电泳沉积技术，并综述了其在生物医用镁合金、钛合金和不锈钢上的应用。未来可通过与其他方法相结合开发具有更好生物相容性、细胞相容性的涂层，以实现在生物体内更好的应用。