哈工大王晨曦ACS AMI：面向可降解鋅血管支架的高效真空紫外光輔助沉積仿生聚多巴胺基涂層技術

【背景介紹】

Zn及其合金具備優異的降解速率，被稱為是可降解心血管支架下一代金屬基體材料。然而未經表面修飾的Zn會在體內植入后溶出大量Zn離子，造成微環境的改變，不僅會產生局部腐蝕和應力集中，引起疲勞斷裂使得其服役壽命大幅降低，而且還會讓心血管內皮細胞生長、遷移、增值等一系列行為受阻，延遲血管康復。在可降解金屬表面修飾仿生的聚多巴胺(PDA)涂層可以增強基體的耐腐蝕性能，同時也有利于其他功能化涂層，如可載藥的聚乳酸(PLGA)的后續修飾。傳統的PDA涂層制備方法，如浸泡法，通常需要嚴格控制反應的pH，溫度和時間，而且效率很低，大約為幾納米每小時。要沉積有一定厚度的PDA層，往往要經歷24小時以上，研究發現這樣長時間的浸泡環境還會造成Zn基體的初始腐蝕，使耐腐蝕性能和機械完整性大幅下降，使其體內植入后的臨床應用受到質疑，制約了該涂層在可降解金屬表面修飾技術中的進一步應用。

【成果簡介】

近日，哈爾濱工業大學先進焊接與連接國家重點實驗室王晨曦教授課題組針對上述問題提出一種利用真空紫外光法輔助沉積具有高粘性的聚多巴胺(PDA)仿生涂層的方法。該技術通過活性氧基團(ROS)的協助為可載藥的聚乳酸(PLGA)涂層提供牢固的化學連接平臺，同時有效的避免了傳統浸泡法中因過長的處理時間而造成的初始腐蝕現象，最終可獲得均勻降解與持續釋藥的復合結構。制備PDA涂層的關鍵在于控制pH值和沉積時間，真空紫外光輔助沉積工藝的效率相比于傳統方法可提高1~2個數量級。此外，PLGA/PDA涂層增強了Zn基體的耐腐蝕性，在長期腐蝕后仍可保持一定的機械性能。通過體外生物實驗發現，上述結構能夠抑制溶血率和平滑肌細胞（SMC）增殖。同時內皮細胞（EC）增殖行為增強，有望促進再內皮化，避免支架內再狹窄和新生內膜增生。

【圖文導讀】

圖1所示為利用真空紫外光輔助沉積法和傳統浸泡法在Zn基體表面制備出的PDA涂層表面形貌分析。實驗條件分別控制pH=7, 8.5和10，真空紫外光輔助沉積時間為10, 20, 30和40 min，而傳統浸泡法的沉積時間為12 h。根據表面物理化學性質分析，經真空外光輔助沉積的PDA涂層表面形貌平整，表面粗糙度隨著沉積時間的增加而增大。在原子力顯微鏡觀察下發現的微凸起實際應為在Zn襯底上沉積了一層平整聚多巴胺涂層后在溶液浸涂過程中由于高粘性而再次吸附于表面的聚多巴胺納米球。通過真空紫外光輔助沉積法在pH=8.5, 沉積時間40 min的條件下，Zn表面修飾的PDA涂層(Zn/UVPDA)厚度為0.48 ± 0.12 μm (如圖2b所示)，沉積速率為720 nm/h，與傳統浸泡法和目前所報道的大多研究相比，效率提高了1~2個數量級。最終在PDA涂層表面成功制備了PLGA涂層(Zn/UVPDA/PLGA)，如圖2c所示。

圖1. 采用真空紫外光沉積和傳統浸泡法在Zn表面修飾的PDA涂層表面形貌

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

圖2. 采用真空紫外光沉積法在Zn表面修飾的PLGA/PDA涂層表面與界面分析

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

除了納米劃痕實驗，通過拉伸測試結合SEM分析對PLGA所修飾Zn結構的涂層剝離過程進行探究。圖3所示為Zn/PLGA和Zn/UVPDA/PLGA在拉伸應變分別為10%, 40%和拉斷時不同位置處涂層的表面形貌結果。未經UVPDA預處理的PLGA涂層在Zn基體上的附著力差，初始裂紋產生于b2~b3區域(圖3b)，更多裂紋擴展至c2~c4區域(圖3c)。Zn/UVPDA/PLGA的表面形貌在10%應變下變得不均勻，隨著拉伸載荷的增加，g3區域出現少量裂紋(圖3g)。這意味著涂層隨著基材的拉伸而變形。隨后，PLGA涂層上裂紋延展，在直接斷裂之前沒有從基材上剝落（圖3h），表明UVPDA/PLGA對Zn的附著力更好。因此，Zn/UVPDA/PLGA結構的失效過程包括涂層變形、裂紋產生和直接斷裂。

圖3. Zn/PLGA和Zn/UVPDA/PLGA結構拉伸測試及SEM觀察

(a-d) Zn/PLGA；(e-h) Zn/UVPDA/PLGA

為評價耐腐蝕性能，在進行電化學測試后，分別對裸Zn, Zn/PLGA, Zn/UVPDA和Zn/UVPDA/PLGA結構進行長達28天的模擬體液體外浸泡實驗，并對浸泡期間溶液pH的變化和最終腐蝕產物進行分析。如圖4所示，Zn/UVPDA/PLGA結構在長期的浸泡實驗中仍然保留了較完整的連接包覆結構，產生的腐蝕產物[Zn₅(OH)₆(CO₃)₂/ Zn₃(PO₄)₂]的量也少于其他組。

圖4. Zn, Zn/UVPDA, Zn/PLGA, Zn/UVPDA/PLGA長期浸泡測試分析

（a) SEM圖像；(b) pH值變化；(c) FTIR分析；(d) XRD分析

此外，對于長期浸泡后不同方法修飾的Zn結構的力學性能進行測試發現，Zn/PLGA結構的拉伸強度和延伸率隨浸泡時間的延長先降低后升高。PLGA涂層剝落導致鋅的不均勻腐蝕，大量腐蝕產物可能導致“應力屏蔽效應”，從而提高強度。采用傳統浸泡法制備的Zn/tPDA/PLGA結構的初始伸長率低于Zn和Zn/UVPDA/PLGA（圖5e），這表明用傳統方法將鋅板浸入多巴胺Tris溶液中12小時后發生了初始腐蝕。而Zn/UVPDA/PLGA結構的整體強度穩定，延伸率逐漸降低，說明浸泡期間降解過程均勻。這些結果表明，真空紫外光輔助沉積的PDA涂層的優勢在于避免了Zn基體的初始腐蝕，并與外部PLGA涂層提供了強大的附著力。緊密粘附的PLGA涂層可在早期釋放藥物并保護基底，防止浸泡過程中鋅的不均勻腐蝕和應力集中，最終維持機械支撐。

圖5. 浸泡28天過程中Zn/PLGA, Zn/UVPDA/PLGA和Zn/tPDA/PLGA力學性能測試

針對于Zn/UVPDA/PLGA的體外生物相容性探究，除了測試樣品的溶血率外(均低于2%)，有必要進一步評估平滑肌細胞(SMCs)和內皮細胞(ECs)增殖的生物學效應，這在支架內再狹窄(ISR)和晚期支架血栓形成(LST)的主要臨床并發癥中起著重要作用。與純Zn樣品相比，UVPDA/PLGA涂層在不同樣品的不同濃度提取物培養基中培養24小時和72小時后，對SMCs增殖表現出明顯的抑制作用(圖6a-c)。對于ECs評估，Zn/PLGA和Zn/UVPDA/PLGA結構組顯示出比其他組更好的增殖能力。此外，UVPDA/PLGA涂層在50%和100%提取液培養基中顯著促進EC增殖（圖7b和c），顯示出內皮修復的獨特優勢。通過體外生物實驗的結果表明，UVPDA/PLGA涂層可以提供更好的微環境來抑制SMC活性并支持EC增殖。

圖6. 培養24小時和72小時后HUASMCs增殖行為分析

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

圖7. 培養24小時和72小時后 HUVECs增殖行為分析

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

【總結與展望】

本研究開發出的高效真空紫外光輔助沉積仿生聚多巴胺涂層技術跳出了傳統浸泡法沉積效率低的困境，基于穩定的Zn/UVPDA化學連接平臺有效地在可降解Zn金屬表面修飾了可載藥的聚乳酸涂層。研究結果表明Zn/UVPDA/PLGA結構具有良好的界面粘附強度，即使在長期浸泡條件下，該結構也具有優異的耐腐蝕性能和穩定的連接界面，且在此基礎上Zn基體的初始腐蝕被避免，機械性能完整性被保留。本研究成果有望應用于可降解金屬表面功能化修飾的設計制造中，將促進新一代可降解血管支架醫療器械的開發。

本項研究工作在國家自然科學基金面上項目、黑龍江省自然科學基金聯合引導項目和黑龍江省頭雁團隊的資助下完成，該論文入選ACS Applied Materials & Interfaces期刊14卷2期的封面圖片（見圖8）。

圖8. 本論文入選ACS-AMI期刊封面圖片

【第一作者介紹】

方慧，哈爾濱工業大學材料科學與工程學院博士研究生。本碩博均就讀于哈爾濱工業大學材料學院，曾獲研究生國家獎學金，哈爾濱工業大學春暉創新成果獎，“優秀學生”等榮譽稱號。2021年7月獲新加坡國立大學國家公派留學獎學金。研究方向主要為“生物材料表面/界面行為”，寬禁帶半導體異質集成等，共參與發表論文18篇（第一作者11篇），其中SCI收錄15篇，EI收錄2篇, 9篇為一區期刊，包括《Acta Biomaterialia》、《ACS Applied Materials & Interfaces》、《Corrosion Science》、《Journal of Magnesium and Alloys》、《Journal of Materials Science & Technology》等，申請國家專利5項，3項已授權；參與國家自然基金項目2項，華為橫向課題1項，參與《復興號高鐵關鍵零部件快速超塑成形技術》項目獲第八屆“祖光杯”銀獎。

【通訊作者介紹】

王晨曦，哈爾濱工業大學材料科學與工程學院教授，博士生導師。博士畢業于東京大學，曾任東京大學JSPS外籍特別研究員，作為主任研究員參與日本科技振興機構戰略創造推進事業重大項目(JST-CREST)，2014年底回國加盟哈工大先進焊接與連接重點實驗室微納連接與加工團隊，主要研究方向為半導體晶圓室溫連接、芯片三維鍵合集成、生物材料連接。主持國家省部級等科研課題十余項，圍繞表面活化鍵合新技術在ACS Nano, Acta Biomaterialia, Corrosion Science, JMST等學術期刊和國際會議上發表SCI/EI論文100余篇，6篇論文獲國際會議最佳論文獎、最佳口頭報告獎和杰出論文獎，博士論文獲東京大學工學院院長獎。已授權中國和日本發明專利14項，國際會議特邀報告5次。目前擔任中國機械學會焊接分會青年委員會、電子封裝國際會議(ICEPT)技術委員會等多個學術組織的委員，IEEE高級會員(Senior Member)。教學方面獲哈爾濱工業大學首屆課程思政教學競賽一等獎，哈工大青年教師研究生課程教學競賽一等獎，哈工大教學優秀獎一等獎，作為負責人主持承擔黑龍江省教研項目2項。

【文章鏈接】

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