聚乙烯亚胺(PEI)作为镁(Mg)的涂层，表现出令人满意的防腐能力和良好的粘附强度，我们改变了PEI涂层镁植入物的物理和化学性质。等离子体浸没离子注入技术与直流(DC)磁控溅射相结合，将生物相容的钽(Ta)引入到PEI涂层的表面。使其为前成骨细胞的粘附、增殖和分化产生了长期的表面亲水性并显示出显著增强的骨组织亲和力和骨整合能力。

01、研究内容简介

镁及其合金由于其生物可降解性和合适的力学性能，作为一种很有前途的骨科植入材料引起了广泛的关注。由于镁具有与人类骨骼相似的弹性模量，它可以最大限度地减少应力遮挡效应，同时为骨折部位的生理负荷提供足够的机械支持。此外，由于镁离子具有成骨和促骨作用，镁植入物的降解行为为骨质疏松症或骨质疏松症患者提供了有益的刺激。然而，尽管镁在骨重建和修复方面有这些优点，但在生理条件下，镁的腐蚀率过高，这是实际应用的主要障碍。

为了解决实际应用的局限性，人们对提高镁的耐蚀性进行了大量的研究，包括与其他金属元素的合金化，或在镁表面制备生物陶瓷或聚合物涂层。在这些方法中，聚合物涂层系统可以通过提供物理屏障来降低镁的腐蚀率，从而防止镁与周围任何腐蚀性介质直接接触。此外，聚合物具有多种物理和化学性质，为防腐提供了多种选择。在过去的几十年里，人们开发了许多合成聚合物，如聚乳酸、聚L-乳酸-共聚糖、聚二氧六环酮、聚1，3-三亚甲基碳酸酯和聚乙烯亚胺(PEI)，以探索其作为植入体保护性涂层的可行性。

等离子体浸没离子注入(PIII)技术的最新进展为解决这一问题提供了很有希望的机会。PIII通过电离辐射改变聚合物表面处于相对活性状态的独特能力有利于改善表面疏水性，而不会对防腐性能产生负面影响。在这项技术中，等离子体中的离子在施加衬底偏压的情况下加速到衬底表面，与衬底形状非常一致，这使得无论样品几何形状如何，整个表面的均匀修饰都成为可能。此外，离子注入的表面层由于其在衬底内的结构连续性，可用于提高界面强度，从而确保机械稳定性和可靠性。然而，PIII技术只能应用于高耐热聚合物，因为它的处理时间很长。通常，对聚合物表面进行改性需要几个小时，这会在离子辐照区域导致大量热量积累，进而导致聚合物的热变形、分解和破坏。因此，为了成功地对聚合物涂层镁植入物进行表面修饰，需要一种快速有效的PIII技术。

最近开发的基于溅射的PIII(S-PIII)技术利用直流磁控溅射枪产生大量金属离子，确保在高剂量下将大量金属离子注入到聚合物上，同时将处理时间减少到几十秒，从而最大限度地减少了对聚合物衬底的热损害，并扩大了PIII技术的实际应用。特别是，由于钽(Ta)具有良好的生物相容性和骨整合能力，当用作金属离子源时，它为成骨细胞的黏附和生长提供了良好的表面环境，从而促进了种植体与周围骨组织之间的新骨形成和整合。

因此，为了研究S-PIII的可行性和有效性，PEI被用作镁种植体的代表性聚合物涂层材料，因为它具有突出的防腐能力和对镁表面的粘附性，而且对宿主骨的生物响应也很差。采用旋涂的方法在镁基体上形成均匀的PEI涂层，然后用Ta离子进行S-PIII处理，得到Ta/PEI涂层的镁，然后评价表面特性、防腐能力、润湿性和成骨细胞反应的变化，并与镁基体进行比较。

钽/聚乙烯亚胺涂层镁植入物的腐蚀行为。在SBF浸没条件下，测量了从镁基体，PEI涂层和Ta/PEI涂层的Mg样品的表面产生的H2气体（Mg腐蚀的主要副产物之一）的量。如图1a所示，镁基体随H2气体放出量的急剧增加而迅速腐蚀。相反，与镁基体相比，PEI涂覆的镁和Ta/PEI涂覆的镁表现出显著降低的腐蚀速率。从两个表面稳定地（但逐渐地）产生了H2气体，导致整个浸入时间几乎呈线性分布。

图1b显示了每个Mg样品在SBF溶液中浸泡14天后的结构变化和剩余体积。在重建的μ-CT图像中（图1b–1），镁基体腐蚀局部进行。浸入三天后，其外表面会出现深而狭窄的空腔。随着浸没时间的增加，腐蚀的深度和宽度都会增加，在14天后会导致粗糙和不规则的表面形貌。相比之下，PEI涂层和Ta/PEI涂层的Mg表面基本上是原始的，浸入六天后未观察到明显的腐蚀。14天后，腐蚀仍然很小，几乎不存在。定量结果（图1b–2）显示了形态分析与Mg样品的残留量之间的一致性。显然，PEI涂层的镁和Ta/PEI涂层的镁的失重速度比镁基体慢。实际上，就PEI涂层和Ta/PEI涂层的Mg样品的腐蚀防护能力而言，无法观察到显着差异。

图1c显示了从H2气体逸出量测量和μ-CT表征计算得出的镁基体平均体外腐蚀速率的材料损失。值得注意的是，与涂有PEI的镁相比，镁基体腐蚀速率显更快。两次测量之间没有统计学差异（p> 0.05）。

图1  (a)基体、PEI涂层的和Ta/PEI涂层的镁样品在SBF溶液中浸泡10天后放出氢气。基体、PEI涂层的和Ta/PEI涂层的镁种植体在SBF溶液中浸泡14天后的μ-CT特征：(b-1)每个种植体在浸泡0、3、6和14天时的3D图像及其(b-2)剩余体积。(c)植入物的计算腐蚀率。与镁基体比，*p<0.05和**p<0.01有统计学意义。

体内生物降解和生物学评估。为了评估材料的体内生物降解能力和成骨能力，将圆柱形镁基体，PEI涂层和Ta/PEI涂层的Mg样品分别植入每只兔股骨缺损的两侧。四周后，通过μ-CT对植入的样品和样品周围的小梁骨进行了评估，如图2所示。植入样品的2D冠状和横断面图像清楚地表明了镁植入物的不良生物反应（图2a）：植入物表面周围的巨大空隙；周围的小梁骨组织与植入物表面完全分离，使植入物几乎未固定在宿主股骨中。在重建的μ-CT图像中（图2b），镁基体表面具有严重腐蚀和粗糙的表面，带有深腐蚀点和凹痕以及少量的薄骨层。相比之下，PEI涂层和Ta/PEI涂层的Mg样品具有比镁基体更好的骨形成和耐腐蚀性：在表面和周围小梁骨组织上没有明显的腐蚀破坏迹象；大部分被新形成的骨组织覆盖的表面（图2a和b）。特别是，Ta/PEI涂层的Mg植入体具有出色的骨骼组织相容性。如图2c所示，PEI涂层和Ta/PEI涂层的Mg植入物的体积减少量减少了约4％，而镁基体的体积减少量减少了10％。因此，PEI涂层和Ta/PEI涂层的Mg植入物的体内腐蚀速率小于镁基体。另外，如图2d所示，与镁基体（p <0.01）和PEI涂覆的Mg植入物（p <0.05）相比，Ta/PEI涂覆的Mg具有统计学上显着的骨形成。

图2  植入后四周基体、PEI涂层的和Ta/PEI涂层的镁样品及其周围骨骼的μ-CT特征：(a)植入物的2D冠状和横断面图；(b)兔股骨内每个植入物的3D图像；(c)腐蚀镁体积的比率；(d)限定区域内的总骨体积。

在这项研究中，我们介绍了一种新颖的方法来修改聚合物包覆的Mg植入物的表面物理和化学性质。PEI涂层的Mg植入物由于PEI涂层的疏水性和对Mg表面的稳定粘附性而具有优异的防腐蚀性能。但是，他们没有显示出与周围骨骼骨整合的任何证据。快速的PIII技术与DC磁控管溅射技术相结合，能够在极短的处理时间（30 s）内将生物相容性金属离子（Ta）引入PEI涂层的表面，从而生成Ta/PEI涂层的Mg。实际上，Ta/PEI涂层的Mg没有明显的表面损伤。它还具有增强的防腐性能。此外，Ta层显着增强了表面亲水性，并确保了在干燥和潮湿条件下的长期稳定性。与镁基体和PEI包覆的镁相比，Ta/PEI包覆的镁在成骨前细胞的粘附，增殖和分化方面更有利，这可以归因于Ta的生物活性和生物相容性。在体内兔股骨研究中，Ta/PEI涂层的Mg植入物显示出增强的骨组织亲和力和骨整合能力，并且没有明显的腐蚀迹象。这些结果表明，Ta/PEI涂覆的Mg非常适合作为可生物降解的骨科植入物材料。

02、论文第一/通讯作者简介

Kwang-Hee Cheon

Department of Materials Science and Engineering, Seoul National University.

Hyun-Do Jung

Department of Biomedical-Chemical Engineering, Catholic University of Korea.

Tae-Sik Jang

Department of Materials Science and Engineering, Chosun University.

翻译：蔡磊，山东科技大学。

校对：曾荣昌，山东科技大学。

03、资助信息

本研究得到大韩民国卫生和福利部韩国健康产业发展研究所（KHIDI）韩国健康技术研发项目的资助（批准号：HI18C0493）。

04、原文信息

K.H. Cheon, C. Park, M.H. Kang, I.G. Kang, M.K. Lee, H. Lee, H.E. Kim, H.D. Jung, T.S. Jang, 

Construction of tantalum/poly(ether imide) coatings on magnesium implants with both corrosion protection and osseointegration properties, 

Bioact Mater 6(4) (2021) 1189-1200. 

doi: 10.1016/j.bioactmat.2020.10.007