PLA增强的生物活性涂层应用于Mg AZ31B合金线材，以提高其在肠道吻合术中的耐腐蚀性能和自愈能力

生物活性涂层在镁合金手术线中的应用研究，通过电泳沉积制备含壳聚糖、 Neem 提取物和锌铁氧体纳米颗粒的涂层，并覆盖PLA增强层，有效提升腐蚀抑制（电化学测试）、抗菌性能（抑菌圈达30mm）、血液相容性（溶血率0.3%）及加速愈合，在鼠肠吻合模型中验证了优于钛合金 staples的长期生物安全性。

　　

Nimra Shabbir|Tabinda Kiran|Sobia Rafique|Muhammad Shoaib Butt|Azhar Mahmood

巴基斯坦伊斯兰堡国立科学技术大学（NUST）自然科学学院（SNS），H-12，44000

摘要

手术部位感染仍然是胃肠道手术中的主要挑战，尤其是在肠吻合术期间，永久性的金属钉可能会引起慢性炎症、影像伪影和异物反应。可生物降解的镁（Mg）合金提供了一个有前景的替代方案，但其快速降解和较差的耐腐蚀性限制了其在临床中的应用。在这项研究中，我们通过电泳沉积在Mg AZ31B金属丝上制备了一种多功能生物活性涂层，该涂层结合了壳聚糖、印楝（Azadirachta indica）提取物和ZnFe₂O₄纳米颗粒，并在其上覆盖一层聚乳酸（PLA）以增强机械性能并控制生物降解过程。改性的金属丝具有致密、附着力强的涂层，机械强度显著提高（断裂力从250 N增加到261 N），电化学测试中的腐蚀速率降低，在模拟胃液中的降解性能也得到了改善。抗菌实验表明，该涂层对大肠杆菌（E. coli）、金黄色葡萄球菌（S. aureus）、肺炎克雷伯菌（K. pneumoniae）和粪肠球菌（E. faecalis）具有强烈的抑制作用，抑制圈可达30毫米。生物相容性测试显示其溶血率低（0.3%），抗氧化活性高（84%），细胞存活率优异（90%）。在大鼠肠吻合模型中的体内植入实验表明，与未涂层金属丝相比，该涂层能够加速组织再生，促进胶原蛋白沉积并减少炎症。通过将天然治疗剂与生物活性纳米颗粒结合在可生物降解的聚合物基质中，我们的研究为开发抗感染、可吸收的手术金属丝提供了实用的途径，为胃肠道修复提供了比钛基钉更安全的替代方案。

引言

在胃肠道手术中，特别是肠吻合术中，通常使用由钛（Ti）合金制成的金属钉，因为它们具有较高的机械强度、可靠性和能够快速重新连接组织端部的能力[1]。这些装置具有多个优点，包括应用速度快和即时并发症发生率低。然而，它们在体内的永久存在引发了关于长期并发症的担忧，包括异物反应、组织粘连、慢性炎症和过敏反应[2, 3]。此外，钛的高X射线衰减会在计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）中产生影像伪影，影响术后监测[4]。

为了克服这些缺点，人们对可生物降解的植入物越来越感兴趣，这些植入物可以在体内提供临时机械支撑并自然降解，从而无需进行第二次手术[5]。在潜在的候选材料中，镁（Mg）及其合金，尤其是AZ31B，由于其优异的生物相容性、导电性和可生物降解性而成为有前景的材料[6, 7]。镁的弹性模量（41–45 GPa）和密度（1.74–1.84 g/cm³）接近人体皮质骨的参数，显著减少了传统金属植入物带来的应力屏蔽效应[8]

尽管有这些优点，镁在生理环境中的快速降解是一个关键限制。这种不受控制的腐蚀会导致过早的机械失效、局部碱化以及过多的氢气产生，从而破坏组织并影响伤口愈合[9]。为了应对这些问题，已经开发了表面改性策略，特别是保护性涂层，以增强耐腐蚀性、促进生物相容性并减少不良反应[10]。

已经探索了多种合成和天然的聚合物材料作为防腐蚀涂层。合成聚合物如聚己内酯（PCL）、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）和聚乳酸（PLA）取得了一些成功[11]。天然聚合物如壳聚糖（CS），一种从几丁质衍生的线性多糖，因其固有的生物相容性、可生物降解性和抗菌活性而受到特别关注[12]。

然而，大多数单一成分的涂层缺乏多功能性，特别是缺乏抗菌和抗氧化能力，而这些能力对于减少手术部位感染（SSI）和促进组织再生至关重要。因此，研究正转向结合聚合物和生物活性纳米颗粒以及植物提取物的多功能复合涂层[13]。

其中一种感兴趣的纳米颗粒是锌铁氧体（ZnFe₂O₄），这是一种具有低毒性、化学稳定性和磁性的生物相容性尖晶石结构金属氧化物。ZnFe₂O₄纳米颗粒（NPs）主要通过生成活性氧（ROS）来发挥抗菌作用，从而破坏细菌细胞膜[14]。它们的应用已扩展到药物输送、生物传感和组织工程，包括伤口愈合[15]。作为ZnFe₂O₄的补充，印楝（Azadirachta indica）是一种来自楝科的药用植物，因其多种药理特性而在传统医学中长期被使用。印楝提取物含有多种生物活性化合物，如尼姆宾（nimbin）、印楝素（azadirachtin）、尼姆比丁（nimbidin）和槲皮素（quercetin），具有强大的抗菌、抗真菌、抗氧化和促进伤口愈合的效果[17, 18]。这些植物化学物质能够对抗大肠杆菌（Escherichia coli）、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）和粪肠球菌（Enterococcus faecalis），使印楝成为植入涂层的理想天然添加剂。电泳沉积（EPD）是一种广泛用于施加均匀涂层的技术，尤其适用于复杂形状的基底。它涉及在电场作用下悬浮液中带电颗粒的运动，使得多种功能成分能够共同沉积[19, 20, 21]。EPD具有低成本、设备简单、厚度可调等优点，并且可以在一步中沉积聚合物、纳米颗粒和生物活性物质[22, 23]。

在这项研究中，我们为Mg AZ31B金属丝植入物开发了一种多功能复合涂层，旨在提高其在肠吻合术中的应用性能。该涂层通过两步工艺制备：首先通过电泳沉积包含壳聚糖、印楝提取物和ZnFe₂O₄纳米颗粒的生物活性基质，然后覆盖一层聚乳酸（PLA）以确保稳定性和可控的生物降解。这种混合系统协同结合了印楝和壳聚糖的抗菌和伤口愈合潜力、ZnFe₂O₄的耐腐蚀性和生物活性以及PLA的生物相容性和屏障性能。涂层样品通过物理化学和电化学技术进行了全面表征，并进一步评估了其抗菌效果、血液相容性和体内伤口愈合能力。结果表明，与未涂层的Mg AZ31B相比，该涂层显著提高了耐腐蚀性、减少了细菌粘附、改善了血液相容性并加速了伤口愈合。

大多数先前的研究主要关注平面镁基底或旨在实现单一功能的涂层。相比之下，本研究系统地解决了与肠吻合术相关的镁金属丝的抗菌性能、腐蚀控制和机械稳定性问题。这项研究的新颖之处在于合理设计了分层的多功能涂层结构，而不是引入单独的新材料。在该框架中，印楝叶提取物通过破坏细胞膜和产生氧化应激来提供抗菌活性；ZnFe₂O₄纳米颗粒作为无机相来调节腐蚀行为；壳聚糖作为生物相容的聚合物基质；外层的PLA层在限制电解质渗透的同时确保了早期的机械完整性。每个组分都在涂层系统中被精心选择并赋予了特定的功能。与之前报道的可生物降解金属丝基吻合装置相比，这种集成但功能分离的设计能够同时控制降解行为、抗菌效果、细胞相容性和机械稳定性。因此，这项研究为开发具有更高临床相关性的多功能可吸收镁植入物提供了基于研究的策略。

材料

Mg AZ31B合金金属丝的直径为0.3毫米，购自中国Shozuo有限公司。用于合成ZnFe₂O₄纳米颗粒（NPs）的所有化学品均为分析纯级别，无需进一步纯化。六水合硝酸锌（Zn(NO₃)₂·6H₂O）、九水合硝酸铁（III）（Fe(NO₃)₃·9H₂O）和一水合柠檬酸（C₆H₈O₇·H₂O）均购自Sigma-Aldrich，使用前无需额外处理。聚乳酸（PLA）和氯仿也来自相同来源。

表面形态

使用扫描电子显微镜（SEM）、能量分散X射线光谱（EDS）和场发射透射电子显微镜（FETEM）分析了Mg AZ31B金属丝在复合涂层前后的表面形态。这些分析证实了多功能生物活性层的均匀沉积、结构完整性和成分分布。图5 A和B中的SEM图像清楚地显示了未涂层和涂层金属丝表面之间的差异。

结论

本研究提出了一种用于Mg AZ31B金属丝的多功能PLA–壳聚糖–印楝–ZnFe₂O₄复合涂层，为肠吻合术提供了多功能平台。该涂层显著增强了机械完整性，抑制了腐蚀和氢气的产生，并提供了强大的抗菌保护，尤其是在20% ZnFe₂O₄浓度下，抑制圈可达30毫米。药物释放研究表明，药物释放初期有爆发性释放，随后持续释放超过120小时

CRediT作者贡献声明

Sobia Rafique：可视化、验证、软件处理。Tabinda Kiran：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证。Nimra Shabbir：撰写 – 初始草稿、软件处理、方法学研究、数据分析。Azhar Mahmood：撰写 – 审稿与编辑。Muhammad SHOAIB BUTT：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资金获取、概念构思

利益冲突声明

作者们没有需要声明的利益冲突。

资助来源

本研究得到了高等教育委员会（HEC）的支持，参考编号：20-15766/NRPU/R&D/HEC/2021 Islamabad-Pakistan。

竞争利益声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。