絲素蛋白涂層助力TC4合金提升骨骼修復植入物性能

7/7絲素蛋白涂層助力TC4合金，提升骨骼修復植入物性能骨修復作為生物醫(yī)學工程中的一項主要挑戰(zhàn)，鼓勵了各種新方向。其中，結構金屬是骨植入材料的一個主要和成熟的類別。目前在該類別中，Ti6Al4V(TC4)是最常用的，因為它具有優(yōu)異的平衡性能，例如：相對較低的彈性模量和防腐性能。然而，TC4顯示出各種不良反應，例如缺乏骨誘導性、生物活性弱、耐磨性差和應力屏蔽，這往往限制了其在長期臨床使用中的廣泛應用。另一方面，需要改進鈦合金上細胞和組織的粘附、增殖和分化，以確保長期手術成功。

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

盡管鈦及其合金上的聚合物涂層取得了進展，但仍然存在挑戰(zhàn)。例如，聚合物和合金基材之間的弱結合使得涂層很容易剝落。該實驗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基材之間的界面結合強度。

實驗材料和方法

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)對樣品進行表面處理，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）作化學交聯(lián)劑、乙醇作構象轉變的誘導劑以獲得穩(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3M膠水粘附到測試基座（基座最左側部件為粘附體）上，將基座固定在離心轉子上。當施加的離心力超過涂層-基材組件的間拉伸或剪切力時，涂層將從基材上分離。發(fā)生分離時軟件自動記錄轉速，并通過SEPView軟件計算獲得結果。

每組四個樣品（具有相同的涂層厚度和基材粗糙度）用于統(tǒng)計分析。

結

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，認為SF涂層被有效分離，該數(shù)據結果是有效的。

01基材粗糙度對粘結強度的影響

圖2和圖3顯示了粘結強度與基材粗糙度和涂層厚度的函數(shù)關系。首先粘結強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一步增加而表現(xiàn)出降低的趨勢。該結果證明，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，改善涂層的機械錨固。

圖2：粘結強度與基材粗糙度之間的關系。

02涂層厚度對粘結強度的影響

在圖3中，顯示了粘結強度與涂層厚度的函數(shù)關系。粘結強度隨著涂層厚度的增加而降低。當涂層厚度從15μm增加到100μm時，粘結強度從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粘附強度的影響。

圖3：粘結強度與SF涂層厚度之間的關系

03基材材質對粘結強度的影響

為了更進一步，也為了證明涂層方法的普適性，測試了SF涂層在其他兩種醫(yī)用金屬（CoCrMo合金和316L不銹鋼）上的附著強度。圖4表明TC4、CoCrMo合金和316L不銹鋼的平均附著強度分別為7.4±1.0、6.2±1.2和7.1±1.2MPa。統(tǒng)計分析表明，不同基材之間沒有顯著差異。該結果意味著涂層在基材上的粘附應主要是通過機械鎖定的物理附著。

圖4：三種醫(yī)用級金屬（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涂層的附著強度

結

論

總之，我們通過在非水性SF-HFIP溶液中進行物理浸涂，成功地在TC4合金和其他醫(yī)用金屬上制備了緊密結合的絲素蛋白(SF)涂層。通過調節(jié)SF-HFIP溶液的濃度，可以根據需求獲得厚度介于15-100μm范圍內的涂層。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涂層的粘結強度受基材粗糙度和涂層厚度的影響。在基材粗糙度Ra~1μm時，附著強度達到最大值7