多巴胺辅助的锶掺杂羟基磷灰石在3D打印多孔钛合金上的沉积：对成骨和血管生成特性的体外评估

《Materials Chemistry and Physics》：Polydopamine-assisted deposition of strontium-doped hydroxyapatite on 3D-printed porous titanium alloy: an in vitro evaluation of osteogenic and angiogenic properties

钛合金骨植入物表面通过PDA辅助的羟基磷灰石涂层技术制备锶掺杂复合涂层，优化了生物活性和血管生成能力。研究采用XRD、SEM、FTIR等表征手段，证实15mol%锶掺杂使涂层结晶度降低、表面粗糙度提升、亲水性增强，并显著促进成骨细胞增殖和血管内皮细胞迁移。实验表明该涂层能有效改善骨整合效果，为多孔钛合金植入物提供新的表面改性策略。

　　

作者：司贺（Si He）、卢唐（Lu Tang）、薛旺（Xue Wang）、易万静（Yiwan Jing）、帅龙（Shuai Long）、董志宏（Zhihong Dong）、程丽佳（Lijia Cheng）、何柳兴（Liuxing He）

成都大学临床医学院与附属医院基础医学科学学院、机械工程学院，中国成都610106

摘要

钛（Ti）及其合金已被广泛用于治疗承重骨缺损。然而，高应力屏蔽效应、较差的成骨活性以及血管化不足仍然是钛基植入物临床应用面临的挑战。在本研究中，通过使用多巴胺（PDA）作为粘合剂，通过仿生矿化方法在3D打印多孔钛合金表面制备了具有良好生物相容性和促血管生成特性的Sr²⁺掺杂羟基磷灰石（HA）复合涂层。利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对复合支架的晶体结构、相组成、微观形态和化学键合进行了表征。Sr²⁺掺杂降低了材料的结晶度；当掺杂量低于15%时，支架表现出稳定的HA释放速率。水接触角测量和原子力显微镜（AFM）结果显示，支架表面具有较高的粗糙度并增强了亲水性。CCK-8实验和细胞生死染色表明该支架具有优异的生物相容性。此外，茜素红染色、划痕测试和血管生成实验证实，Sr²⁺的引入显著提高了复合支架的成骨和促血管生成能力。这些体外实验结果表明，特别是当掺杂量为15%时，PDA辅助的Sr-HA涂层可以有效改进建议3D打印多孔钛的表面生物活性。本研究为开发多功能钛基骨植入物提供了方法学参考和初步的细胞水平证据，尽管仍需进一步的体内验证以评估其全部临床潜力。

引言

钛（Ti）及其合金因其优异的生物相容性、机械性能和耐腐蚀性而在骨植入领域得到广泛应用[1]。通过3D打印技术制备的多孔钛合金（Ti-6Al-4V, TC4）具有与皮质骨相当的弹性模量，从而有效降低了应力屏蔽的风险[2],[3],[4]。据统计，截至2021年，每年有超过一百万个钛合金植入物用于关节置换和大型骨缺损修复[5]。然而，钛合金本身具有生物惰性，导致植入后骨整合不足[6]。研究表明，可以在Ti-6Al-4V表面添加某些涂层以改善其性能，例如涂覆二氧化钛以增强其抗菌性能[7],[8],[9]。近年来，越来越多的研究采用离子喷涂[10]、激光熔覆[11]、电化学阳极氧化[4]和碱性热处理[12]等表面改性方法来改变钛植入物的成骨性能，旨在实现生物活性表面。表面改性不仅赋予材料特定性能，还促进了钛植入物与骨组织的化学结合，从而具备促进成骨黏附、增殖和分化的独特能力。其中，羟基磷灰石（HA）涂层的制备是表面改性技术中最关键的方法之一，可有效提高钛合金的生物活性[5],[13]。 羟基磷灰石（Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂）是一种磷酸钙（CaP）的形式，是人类牙齿和骨骼的主要矿物质成分，占骨骼组成的70%。它具有优异的生物活性、生物相容性和骨传导性[14],[15]。尽管纯HA涂层可以提高生物相容性，但其有限的成骨诱导性、较弱的基质结合力和对复杂几何形状的覆盖能力限制了其在承重骨缺损中的应用[16]。由于HA具有较高的离子交换能力，其中的Ca²⁺、PO₄^3-和OH^-容易被其他离子取代，从而改变HA的性质[17]。因此，在HA涂层中引入锶（Sr）[18]、硅（Si）[19]、镁（Mg）[20]和锌（Zn）[21]等在骨形成中起关键作用的离子，可以提高其生物活性、生物相容性和成骨诱导性，增强HA与Ti之间的结合强度。其中，Sr²⁺是一个热门的研究元素，因为它能促进骨形成、抑制骨吸收，并在调节骨骼结构和强度方面发挥重要作用[22],[23],[24]。张等人[25]通过电化学沉积将Sr、Zn和Mg引入HA涂层，并将其植入小鼠股骨中研究其骨整合能力，结果发现Sr-HA具有最佳的骨整合能力。总之，用Sr离子掺杂HA可以提高其生物活性和生物降解性，增强其成骨活性。多巴胺（PDA）薄膜是一种简单有效的涂层方法，可在植入物表面生成HA，为钛合金表面改性提供了新的思路[26]。 尽管已有大量关于Sr掺杂HA涂层和PDA辅助表面改性的研究，但大多数以往的研究仅关注单一的Sr浓度或单独评估成骨效果[27]。系统地对比不同Sr掺杂水平在统一PDA辅助HA涂层上的效果，特别是同时评估成骨和促血管生成反应的研究仍然有限。 为解决这些问题，本研究采用PDA作为仿生粘合层，在3D打印的多孔Ti-6Al-4V基底上制备了不同Sr浓度（0、5、10和15摩尔%）的Sr-HA涂层，并系统研究了Sr掺杂对涂层形态、结晶度、亲水性、粗糙度和离子释放特性的影响。研究的重点是在体外评估其同时促进成骨和促血管生成的能力，旨在阐明“结构-性能-生物功能”之间的关系，并为设计适用于承重骨缺损修复的多功能钛植入物表面提供新策略。

材料

所有材料均从McLean（中国）购买。金属基材为Ti-6Al-4V，通过选择性激光熔化技术将其打印成直径10毫米、高度1.5毫米的薄片。使用Tris和稀盐酸（HCl，1摩尔/升）进行制备。首先将Tris和去离子水加入烧杯中，并用磁力搅拌器搅拌；然后用稀盐酸调节溶液的pH值至8.5；待溶液温度降至室温后...

扫描电子显微镜（SEM）观察

利用SEM观察了Ti-6Al-4V表面不同复合涂层的微观结构，以及不同Sr掺杂对表面形态的影响。结果表明，SLM技术打印的多孔Ti-6Al-4V表面覆盖着许多未熔化的颗粒，而PDA涂层后的Ti-6Al-4V表面则覆盖着一层致密的颗粒，没有孔结构。SEM显示材料表面较为粗糙...

讨论

本研究的主要目的是开发一种具有良好成骨和促血管生成特性的机械性能优异的复合涂层。通过将Sr掺入HA中，Sr掺杂比纯HA具有更好的生物相容性和生物活性[43]，并可赋予复合涂层良好的促血管生成和成骨性能[43]。同时，Sr掺杂不是简单地通过物理方法与HA混合，而是将Sr掺入HA晶格中。与简单的元素混合相比，Sr掺杂避免了...

结论

在PDA的帮助下，将不同浓度的Sr掺入HA并沉积在Ti-6Al-4V上。体外实验表明，PDA、Sr和HA之间的协同作用改变了涂层的物理化学性质，赋予Ti-6Al-4V基底出色的成骨诱导和促血管生成能力。对于生物医学应用而言，该复合涂层还具有适宜的润湿性和粗糙度。将Sr掺入HA晶格中可实现长期的成骨诱导能力...

CRediT作者贡献声明

帅龙（Shuai Long）：撰写初稿、数据整理。董志宏（Zhihong Dong）：指导、资源提供。薛旺（Xue Wang）：验证、软件处理、数据分析。易万静（Yiwan Jing）：验证、软件处理、数据分析。程丽佳（Lijia Cheng）：撰写、审稿与编辑、指导。何柳兴（Liuxing He）：撰写、审稿与编辑、项目管理。司贺（Si He）：撰写初稿、资源提供、方法设计、实验研究、数据分析。卢唐（Lu Tang）：方法设计、实验研究、数据整理

利益冲突声明

作者声明与提交发表的工作没有直接或间接的财务或非财务利益关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（2022NSFSC1510）、中国国家大学生创新创业训练计划（202411079016）以及四川省大学生创新创业训练计划（S202411079089）的支持。