哈工大王晨曦ACS AMI：面向可降解锌血管支架的高效真空紫外光辅助沉积仿生聚多巴胺基涂层技术

【背景介绍】

Zn及其合金具备优异的降解速率，被称为是可降解心血管支架下一代金属基体材料。然而未经表面修饰的Zn会在体内植入后溶出大量Zn离子，造成微环境的改变，不仅会产生局部腐蚀和应力集中，引起疲劳断裂使得其服役寿命大幅降低，而且还会让心血管内皮细胞生长、迁移、增值等一系列行为受阻，延迟血管康复。在可降解金属表面修饰仿生的聚多巴胺(PDA)涂层可以增强基体的耐腐蚀性能，同时也有利于其他功能化涂层，如可载药的聚乳酸(PLGA)的后续修饰。传统的PDA涂层制备方法，如浸泡法，通常需要严格控制反应的pH，温度和时间，而且效率很低，大约为几纳米每小时。要沉积有一定厚度的PDA层，往往要经历24小时以上，研究发现这样长时间的浸泡环境还会造成Zn基体的初始腐蚀，使耐腐蚀性能和机械完整性大幅下降，使其体内植入后的临床应用受到质疑，制约了该涂层在可降解金属表面修饰技术中的进一步应用。

【成果简介】

近日，哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室王晨曦教授课题组针对上述问题提出一种利用真空紫外光法辅助沉积具有高粘性的聚多巴胺(PDA)仿生涂层的方法。该技术通过活性氧基团(ROS)的协助为可载药的聚乳酸(PLGA)涂层提供牢固的化学连接平台，同时有效的避免了传统浸泡法中因过长的处理时间而造成的初始腐蚀现象，最终可获得均匀降解与持续释药的复合结构。制备PDA涂层的关键在于控制pH值和沉积时间，真空紫外光辅助沉积工艺的效率相比于传统方法可提高1~2个数量级。此外，PLGA/PDA涂层增强了Zn基体的耐腐蚀性，在长期腐蚀后仍可保持一定的机械性能。通过体外生物实验发现，上述结构能够抑制溶血率和平滑肌细胞（SMC）增殖。同时内皮细胞（EC）增殖行为增强，有望促进再内皮化，避免支架内再狭窄和新生内膜增生。

【图文导读】

图1所示为利用真空紫外光辅助沉积法和传统浸泡法在Zn基体表面制备出的PDA涂层表面形貌分析。实验条件分别控制pH=7, 8.5和10，真空紫外光辅助沉积时间为10, 20, 30和40 min，而传统浸泡法的沉积时间为12 h。根据表面物理化学性质分析，经真空外光辅助沉积的PDA涂层表面形貌平整，表面粗糙度随着沉积时间的增加而增大。在原子力显微镜观察下发现的微凸起实际应为在Zn衬底上沉积了一层平整聚多巴胺涂层后在溶液浸涂过程中由于高粘性而再次吸附于表面的聚多巴胺纳米球。通过真空紫外光辅助沉积法在pH=8.5, 沉积时间40 min的条件下，Zn表面修饰的PDA涂层(Zn/UVPDA)厚度为0.48 ± 0.12 μm (如图2b所示)，沉积速率为720 nm/h，与传统浸泡法和目前所报道的大多研究相比，效率提高了1~2个数量级。最终在PDA涂层表面成功制备了PLGA涂层(Zn/UVPDA/PLGA)，如图2c所示。

图1. 采用真空紫外光沉积和传统浸泡法在Zn表面修饰的PDA涂层表面形貌

(a) (b) (c) SEM图像及EDS分析; (d) AFM图像及表面粗糙度分析

图2. 采用真空紫外光沉积法在Zn表面修饰的PLGA/PDA涂层表面与界面分析

(a)表面形貌; (b) Zn/UVPDA界面形貌; (c)Zn/UVPDA/PLGA界面形貌; (d) XPS分析

除了纳米划痕实验，通过拉伸测试结合SEM分析对PLGA所修饰Zn结构的涂层剥离过程进行探究。图3所示为Zn/PLGA和Zn/UVPDA/PLGA在拉伸应变分别为10%, 40%和拉断时不同位置处涂层的表面形貌结果。未经UVPDA预处理的PLGA涂层在Zn基体上的附着力差，初始裂纹产生于b2~b3区域(图3b)，更多裂纹扩展至c2~c4区域(图3c)。Zn/UVPDA/PLGA的表面形貌在10%应变下变得不均匀，随着拉伸载荷的增加，g3区域出现少量裂纹(图3g)。这意味着涂层随着基材的拉伸而变形。随后，PLGA涂层上裂纹延展，在直接断裂之前没有从基材上剥落（图3h），表明UVPDA/PLGA对Zn的附着力更好。因此，Zn/UVPDA/PLGA结构的失效过程包括涂层变形、裂纹产生和直接断裂。

图3. Zn/PLGA和Zn/UVPDA/PLGA结构拉伸测试及SEM观察

(a-d) Zn/PLGA；(e-h) Zn/UVPDA/PLGA

为评价耐腐蚀性能，在进行电化学测试后，分别对裸Zn, Zn/PLGA, Zn/UVPDA和Zn/UVPDA/PLGA结构进行长达28天的模拟体液体外浸泡实验，并对浸泡期间溶液pH的变化和最终腐蚀产物进行分析。如图4所示，Zn/UVPDA/PLGA结构在长期的浸泡实验中仍然保留了较完整的连接包覆结构，产生的腐蚀产物[Zn₅(OH)₆(CO₃)₂/ Zn₃(PO₄)₂]的量也少于其他组。

图4. Zn, Zn/UVPDA, Zn/PLGA, Zn/UVPDA/PLGA长期浸泡测试分析

（a) SEM图像；(b) pH值变化；(c) FTIR分析；(d) XRD分析

此外，对于长期浸泡后不同方法修饰的Zn结构的力学性能进行测试发现，Zn/PLGA结构的拉伸强度和延伸率随浸泡时间的延长先降低后升高。PLGA涂层剥落导致锌的不均匀腐蚀，大量腐蚀产物可能导致“应力屏蔽效应”，从而提高强度。采用传统浸泡法制备的Zn/tPDA/PLGA结构的初始伸长率低于Zn和Zn/UVPDA/PLGA（图5e），这表明用传统方法将锌板浸入多巴胺Tris溶液中12小时后发生了初始腐蚀。而Zn/UVPDA/PLGA结构的整体强度稳定，延伸率逐渐降低，说明浸泡期间降解过程均匀。这些结果表明，真空紫外光辅助沉积的PDA涂层的优势在于避免了Zn基体的初始腐蚀，并与外部PLGA涂层提供了强大的附着力。紧密粘附的PLGA涂层可在早期释放药物并保护基底，防止浸泡过程中锌的不均匀腐蚀和应力集中，最终维持机械支撑。

图5. 浸泡28天过程中Zn/PLGA, Zn/UVPDA/PLGA和Zn/tPDA/PLGA力学性能测试

针对于Zn/UVPDA/PLGA的体外生物相容性探究，除了测试样品的溶血率外(均低于2%)，有必要进一步评估平滑肌细胞(SMCs)和内皮细胞(ECs)增殖的生物学效应，这在支架内再狭窄(ISR)和晚期支架血栓形成(LST)的主要临床并发症中起着重要作用。与纯Zn样品相比，UVPDA/PLGA涂层在不同样品的不同浓度提取物培养基中培养24小时和72小时后，对SMCs增殖表现出明显的抑制作用(图6a-c)。对于ECs评估，Zn/PLGA和Zn/UVPDA/PLGA结构组显示出比其他组更好的增殖能力。此外，UVPDA/PLGA涂层在50%和100%提取液培养基中显著促进EC增殖（图7b和c），显示出内皮修复的独特优势。通过体外生物实验的结果表明，UVPDA/PLGA涂层可以提供更好的微环境来抑制SMC活性并支持EC增殖。

图6. 培养24小时和72小时后HUASMCs增殖行为分析

(a)25%; (b)50%; (c)100%浓度的提取液培养HUASMCs增殖

图7. 培养24小时和72小时后 HUVECs增殖行为分析

(a)25%; (b)50%; (c)100%浓度的提取液培养HUVECs增殖

【总结与展望】

本研究开发出的高效真空紫外光辅助沉积仿生聚多巴胺涂层技术跳出了传统浸泡法沉积效率低的困境，基于稳定的Zn/UVPDA化学连接平台有效地在可降解Zn金属表面修饰了可载药的聚乳酸涂层。研究结果表明Zn/UVPDA/PLGA结构具有良好的界面粘附强度，即使在长期浸泡条件下，该结构也具有优异的耐腐蚀性能和稳定的连接界面，且在此基础上Zn基体的初始腐蚀被避免，机械性能完整性被保留。本研究成果有望应用于可降解金属表面功能化修饰的设计制造中，将促进新一代可降解血管支架医疗器械的开发。

本项研究工作在国家自然科学基金面上项目、黑龙江省自然科学基金联合引导项目和黑龙江省头雁团队的资助下完成，该论文入选ACS Applied Materials & Interfaces期刊14卷2期的封面图片（见图8）。

图8. 本论文入选ACS-AMI期刊封面图片

【第一作者介绍】

方慧，哈尔滨工业大学材料科学与工程学院博士研究生。本硕博均就读于哈尔滨工业大学材料学院，曾获研究生国家奖学金，哈尔滨工业大学春晖创新成果奖，“优秀学生”等荣誉称号。2021年7月获新加坡国立大学国家公派留学奖学金。研究方向主要为“生物材料表面/界面行为”，宽禁带半导体异质集成等，共参与发表论文18篇（第一作者11篇），其中SCI收录15篇，EI收录2篇, 9篇为一区期刊，包括《Acta Biomaterialia》、《ACS Applied Materials & Interfaces》、《Corrosion Science》、《Journal of Magnesium and Alloys》、《Journal of Materials Science & Technology》等，申请国家专利5项，3项已授权；参与国家自然基金项目2项，华为横向课题1项，参与《复兴号高铁关键零部件快速超塑成形技术》项目获第八届“祖光杯”银奖。

【通讯作者介绍】

王晨曦，哈尔滨工业大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。博士毕业于东京大学，曾任东京大学JSPS外籍特别研究员，作为主任研究员参与日本滚球体育 振兴机构战略创造推进事业重大项目(JST-CREST)，2014年底回国加盟哈工大先进焊接与连接重点实验室微纳连接与加工团队，主要研究方向为半导体晶圆室温连接、芯片三维键合集成、生物材料连接。主持国家省部级等科研课题十余项，围绕表面活化键合新技术在ACS Nano, Acta Biomaterialia, Corrosion Science, JMST等学术期刊和国际会议上发表SCI/EI论文100余篇，6篇论文获国际会议最佳论文奖、最佳口头报告奖和杰出论文奖，博士论文获东京大学工学院院长奖。已授权中国和日本发明专利14项，国际会议特邀报告5次。目前担任中国机械学会焊接分会青年委员会、电子封装国际会议(ICEPT)技术委员会等多个学术组织的委员，IEEE高级会员(Senior Member)。教学方面获哈尔滨工业大学首届课程思政教学竞赛一等奖，哈工大青年教师研究生课程教学竞赛一等奖，哈工大教学优秀奖一等奖，作为负责人主持承担黑龙江省教研项目2项。

【文章链接】

Hui Fang, Xiaoyun Qi, Shicheng Zhou, Shuhan Yang, Chunjin Hang, Yanhong Tian, Chenxi Wang^*, High-Efficient Vacuum Ultraviolet-Ozone Assist-Deposited Polydopamine for Poly(lactic-co-glycolic acid)-Coated Pure Zn toward Biodegradable Cardiovascular Stent Applications, ACS Applied Materials & Interfaces, 2022, 14, 3536–3550.

https://doi.org/10.1021/acsami.1c21567

本文由作者供稿