《Surfaces and Interfaces》：Production and properties of composite coatings on magnesium alloy WE43 for biodegradable implants with halloysite nanotubes filled with aliphatic sulfur-containing α-amino acid
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基于WE43镁合金开发磷酸盐-聚乳酸-层状双氢氧化物纳米管（HNTs）复合涂层，HNTs负载L-甲硫氨酸通过硫键和氨基酸官能团形成保护层，显著降低腐蚀电流密度（达2.77×10?? A·cm?2），并抑制细胞毒性。
安德烈·帕斯佩劳（Andrei Paspelau）| 亚历山大·卡萨奇（Aliaksandr Kasach）| 瓦伦丁·罗曼诺夫斯基（Valentin Romanovski）| 伊琳娜·库里洛（Irina Kurilo）
白俄罗斯国立技术大学物理、胶体与分析化学系，明斯克220006，白俄罗斯
摘要
本研究详细探讨了WE43材料在用于生物可降解植入物中的应用，该植入物含有填充了脂肪族含硫α-氨基酸的卤氧化硅纳米管。磷酸化处理在纳米管表面形成了一层致密的晶体涂层—— Brushite（CaHPO?·2H?O），其成分中Ca约占46 wt%、P约占22 wt%、O约占32 wt%。经过L-甲硫氨酸包覆的活化卤氧化硅纳米管（HNTs）表现出显著增强的表面电荷（–66.34±0.2 mV）。在高浓度范围（500–1000 μg·mL?1）下，WE43具有细胞毒性；而在较低浓度范围（125–250 μg·mL?1）下，48小时和72小时后分别仅有轻微或无细胞毒性。纯HNTs没有表现出细胞毒性，而负载了甲硫氨酸的HNTs对Fl细胞则表现出时间依赖性的细胞毒性。在pH 7.4的Hank溶液中进行的电化学研究表明，未涂层WE43的腐蚀电流密度为1.66·10?? A·cm?2；经过磷酸钙（CaP）转化处理的涂层使腐蚀电流密度降低至3.13·10?? A·cm?2（降低了5.25倍）。进一步涂覆后，腐蚀电流密度降至2.59·10?? A·cm?2，提供了约12%的额外保护效果。将HNTs嵌入PLA基质中可进一步提高保护效果4%。L-甲硫氨酸在HNTs中的包覆作用使腐蚀电流降低了2倍（2.77·10?? A·cm?2），因为甲硫氨酸在聚合物降解过程中被释放出来。
引言
在现代医学领域，恢复骨骼及其周围软组织的完整解剖结构以及恢复受损部位的生理功能是许多学科的重要目标，例如颌面外科、神经外科、创伤学和骨科[1]。为了消除缺陷并修复骨骼，需要使用多种材料[2]。目前，医用材料科学中有多种用于制造骨科植入物的材料，包括金属、陶瓷、聚合物和复合材料[3,4]。
镁及其合金因其生物相容性、可生物降解性和机械性能而成为很有前景的植入材料选择[5]。使用镁合金制成的植入物无需在骨骼愈合后进行多次手术取出[6]。最近的进展展示了基于卤氧化硅的可生物降解和功能性材料的广泛应用，例如在生物质转化催化[7]、用于可持续应用的聚合物-纳米管复合材料[8]，以及具有可调结构和活性的工程化粘土系统[9]中。
镁是一种活性金属，其腐蚀过程伴随着氢气的产生。镁及其合金在体内的腐蚀问题严重限制了其作为植入物的应用，因为腐蚀过程中会产生大量氢气及其产物，可能导致裂纹形成、强度下降以及植入物破坏，还可能引发机体组织的反应从而导致植入物被排斥[10]。通过表面处理方法可以有效解决镁及其合金在体内的腐蚀问题，这些方法旨在形成具有多种功能特性的保护涂层[11, [12], [13]]。常用的简单表面改性方法是化学涂覆磷酸钙（CaP）转化层。这种涂层在体内环境中具有优异的化学稳定性、生物相容性和高骨传导性，能够逐渐被新形成的骨组织替代[14, [15], [16], [17]]。除了无机涂层外，医用材料科学中还使用有机涂层（聚合物涂层），它们可以在植入物表面引入各种化学功能基团。常用的有机聚合物包括聚甘醇酸（PGA）、聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）、壳聚糖（CS）、多巴胺（PDA）等[18,19]。这些生物聚合物具有与软生物组织相似的机械性能[20]，能够促进细胞生长[21]，并提供生物相容性和可控的生物降解性[22]。此外，聚合物涂层还可以作为药物的载体[23]。
卤氧化硅纳米管被用作药物载体，可以提高药物装载效率、保护药物免受降解，并改善药物的靶向递送。卤氧化硅纳米管的结构为中空圆柱形，直径在10至100纳米之间，长度可达几微米。这种纳米管由氧化铝和二氧化硅层堆叠而成，通过氢键和范德华力结合在一起。卤氧化硅的化学结构具有带负电的外表面（Si-O-Si和Si-OH）和带正电的内表面（Al?O?和Al-OH），使其适合吸附正负电荷的分子和纳米颗粒。其高长径比、中空内部和大表面积使其能够包裹多种类型的药物，包括亲水性和疏水性化合物[24, [25], [26], [27], [28], [29]]。此外，卤氧化硅纳米管的表面可以通过引入功能性基团来实现药物的可控释放和靶向递送[30,31]。这种表面改性还能增强卤氧化硅纳米管与生物聚合物的稳定性和相容性，从而提高药物递送效率[32]。除了包裹和靶向递送外，卤氧化硅纳米管还可以装载抑制剂。研究表明[33,34]，甲硫氨酸不仅是一种参与多种生化过程的必需α-氨基酸，还可以作为环保型金属腐蚀抑制剂。甲硫氨酸在金属表面形成保护层，这得益于其氨基和羧基的功能性，这些基团可以与金属表面形成复合物[35,36]。甲硫氨酸中的硫元素还能与金属表面原子相互作用形成硫化物键，进一步增强保护效果[35,37]。
本研究的目标是制备并研究由磷酸钙和聚乳酸层组成的复合涂层在镁合金WE43上的结构、成分以及保护性能，其中卤氧化硅纳米管内填充了L-甲硫氨酸。
尽管已有大量关于镁合金用磷酸钙转化涂层和生物可降解聚合物薄膜的研究，但现有方法大多将屏障保护和腐蚀抑制视为独立的过程。在本研究中，我们提出了一种统一的表面和界面设计，结合了CaP转化层、聚乳酸屏障以及作为含硫氨基酸抑制剂纳米载体的卤氧化硅纳米管。该设计的创新之处在于将物理致密的多层屏障与化学活性、响应刺激的抑制剂释放系统直接集成到涂层结构中，从而在聚合物水合和降解过程中实现L-甲硫氨酸的可控、时间依赖性释放，提供了超越传统扩散限制的额外抑制机制。这一发现为多功能界面的设计提供了新见解，有助于调节可生物降解镁基植入物中的腐蚀动力学、界面化学和生物响应，使本系统区别于以往报道的基于CaP或PLA的涂层。
本研究使用了以下成分的WE43合金（wt%）：Y – 4.8；Zr – 0.7；Nd – 2.9；Gd – 0.4；Dy – 0.3；Mg – 剩余。用于形成磷酸钙转化层的试剂包括四水合硝酸钙（Ca(NO?)?·4H?O，≥99.0%，分析级，Sigma-Aldrich）和二氢磷酸铵（NH?H?PO?，≥99.0%，分析级，Sigma-Aldrich）。作为聚合物基质的材料是聚乳酸（PLA，平均分子量约60,000 g·mol?1，医疗级，NatureWorks）。
图1展示了使用扫描电子显微镜观察卤氧化硅纳米管的结果。原始卤氧化硅颗粒呈长管状，长度为150至1500纳米，直径为70至110纳米（图1a）。
经过硫酸处理后，纳米管保持了原有的几何形状，但在卤氧化硅壁上可见轻微的氧化铝溶解痕迹（图1b）。
本研究开发并表征了用于生物可降解植入物的多层复合涂层，包括磷酸钙层、聚乳酸层以及负载了L-甲硫氨酸的卤氧化硅纳米管。结果表明，这种涂层结构具有优异的屏障和抑制性能，能够实现抑制剂的可控释放，并降低镁基材料的腐蚀活性。MTT实验结果显示...
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不适用
安德烈·帕斯佩劳（Andrei Paspelau）： 方法论设计、实验研究、数据管理、数据分析、结果验证、初稿撰写。
亚历山大·卡萨奇（Aliaksandr Kasach）： 实验研究、数据管理、数据分析、结果验证、初稿撰写。
瓦伦丁·罗曼诺夫斯基（Valentin Romanovski）： 数据管理、数据分析、结果可视化、修订与编辑。
伊琳娜·库里洛（Irina Kurilo）： 项目监督、方法论设计、数据管理、结果验证、修订与编辑。
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