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隨著未來醫療水平的不斷提高，可降解生物器械及植入性電子器件已成為人類體內治療的利器。在過去的幾十年里，鎂及其合金由于其優越的物理、機械和生物降解性能，不僅適合制造汽車零件、航空部件和電子器件等，也在骨植入臨床、可植入性醫療器械和可降解金屬電極等領域引起廣泛關注。然而鎂合金在人體內降解速率過快，限制了其臨床應用。尤其是在其植入體內后，雖然其可降解特性可以使病人免于二次手術的痛苦，但其過快的腐蝕不僅未在理想痊愈期間內提供完整的機械支撐，其降解時產生的氫氣也會造成皮下氣腫，這都不利于骨組織的再生和細胞的生存。為延緩鎂合金降解在鎂合金表面包覆一層可降解的聚合物膜層是目前延緩植入性鎂合金降解的最有效途徑之一。該方法可以賦予包覆結構良好的生物相容性和適當的降解速率，同時賦予涂層各種功能。絲素蛋白是一種從天然蠶絲中提取的高分子聚合物，具有優越的力學性能，良好的加工性能及可控的降解速率，可延緩鎂合金降解，賦予包覆結構多種功能。然而，天然有機高分子材料在無機金屬基體上的粘附力不足，會導致包覆結構在體內或體外降解過程中失效，嚴重影響其使用性能和可靠性。因此需要從材料連接的角度出發，最大限度地提高天然高分子膜和無機可降解金屬材料之間的結合力。

【成果簡介】

最近哈爾濱工業大學王晨曦副教授和哈爾濱醫科大學王巖松教授課題組提出利用等離子體和真空紫外光分別對鎂合金材料進行表面活化，提高基體表面親水性及官能團密度，從而實現絲素蛋白膜與鎂合金之間無中間轉換層的緊密連接。研究結果表明，活化后的鎂合金表面親水性提高，并使表面的官能團密度提高，尤其對于真空紫外光活化，連接的界面緊密無裂紋，在后續的包覆過程中使絲素蛋白膜與鎂合金基體直接粘附，通過化學鍵的作用進一步增強界面的粘附強度。與以往采用中間層的工藝相比，新提出的表面活化法避免了繁瑣的操作流程和中間層開裂的危險。同時對連接機理和包覆結構的降解機理進行了研究。該研究結果以“Silk Fibroin Film Coated MgZnCa Alloy with Enhanced in Vitro and in Vivo Performance Prepared Using Surface Activation”為題發表在生物材料領域國際知名期刊《Acta Biomaterialia》上。

【圖文導讀】

圖1.絲素蛋白包覆鎂合金工藝示意圖

（a）直接包覆工藝；

（b）基于等離子體表面活化的包覆工藝；

（c）基于真空紫外光表面活化的包覆工藝。

圖2.包覆結構體外降解行為

（a）未包覆的鎂合金體外降解30天后表面形貌；

（b）經等離子體活化后包覆的鎂合金體外降解30天后表面形貌；

（c）經真空紫外光活化后包覆的鎂合金體外降解30天后表面形貌；

（d）體外降解30天過程中模擬體液pH變化；

（e）體外降解30天過程中產生氫氣的速率；

（f）體外降解30天過程中的降解速率；

圖3.細胞實驗結果

（a）骨髓間充質干細胞在未包覆的鎂合金表面粘附形態；

（b）骨髓間充質干細胞在絲素蛋白表面粘附形態；

（c）骨髓間充質干細胞在包覆結構表面粘附形態；

（d）細胞在樣品表面粘附數量統計結果；

（e）樣品對細胞活性的影響；

圖4.新西蘭家兔體內實驗結果

（a-g） 體內實驗過程；

（h）未包覆鎂合金體內降解180天表面形貌；

（i）包覆鎂合金體內降解180天表面形貌；

（j）180天體內降解速率變化；

圖5.包覆結構降解機理

(更多圖文解讀，請查看原文)

【結論】

綜上所述，利用絲素蛋白膜作為鎂合金的耐腐蝕涂層，以顯著延緩鎂合金的降解。與等離子體活化法相比，采用真空紫外光表面活化法制備的絲素蛋白膜在極親水性表面上得到了可靠的包覆。與未包覆鎂合金相比，包覆結構具有足夠附著力的涂層結構，更好的貯存性能和耐腐蝕性能。同時，提出了絲素蛋白包覆鎂合金結構的模型來解釋粘附機理。此外，在系統的細胞黏附和細胞毒性實驗中，證實了真空紫外光活化制備的包覆結構具有更好的生物相容性、生物活性和生物安全性。在長達180天的動物實驗中，包覆有絲素蛋白的鎂合金降解速率是未包覆的鎂合金的1/18，且不引起炎癥。在體內實驗的基礎上，提出了絲素包覆鎂合金腐蝕過程的降解機理。我們的研究致力于開發一種有效的表面活化方法，能夠通過環境友好的真空紫外表面清洗和活化對鎂合金進行改性和功能化。該方法不僅被證實是一種可行的絲素與鎂合金涂層策略，而且作為其他有機材料與無機金屬之間的黏附層，具有廣闊的應用前景，該包覆結構為可降解金屬的應用提供了新思路。

來源：材料人

供稿：哈爾濱工業大學王晨曦副教授課題組

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