运用电沉积法在3D打印的多孔钴铬合金假体表面构建丝素蛋白-庆大霉素涂层

摘要

目的：
　　改善生物相容性和预防术后感染，是目前将多孔假体推向临床使用时科学家们关注的问题。电沉积基于溶液体系，使得在多孔结构内部表面构建涂层成为可能，而且电沉积涂层具有载药能力。研究者刚刚发现利用丝素蛋白水溶液在阳极会形成电凝胶的现象，提示可以将其作为一种新的电沉积基础材料；其可以在中性的水环境中电沉积，产生的气泡非常少，提示其比传统壳聚糖材料更适合在多孔结构上电沉积，但目前尚未见有关研究报道；但是，丝素蛋白是在阳极电沉积，会对金属造成电化学腐蚀，这是否会影响金属自身的力学性能，目前也尚未见有关研究报道。庆大霉素抑菌性好，抗菌谱广，但有肾毒性和耳毒性，因此一般用于局部用药。本实验通过运用电沉积在3D打印的多孔钴铬合金假体内外表面均匀连续地构建出了丝素蛋白-庆大霉素的超薄涂层。
　　方法：
　　通过SLM技术制备多孔钴铬合金假体；通过电沉积技术在多孔假体内外表构建出了丝素蛋白-庆大霉素的涂层；利用ATR-FTIR检测，探索丝素蛋白-庆大霉素可能的电沉积机制；利用光学和荧光显微镜探索在多孔结构内外表面够构建电沉积涂层的规律；利用光学和荧光显微镜，SEM，AFM，结合力检测观察到涂层对多孔表面物理形貌的改变及其结合强度；通过用轴向压缩试验，SEM，XRD检测了电沉积过程对多孔假体的力学性能影响；通过micro-CT对附有涂层的多孔假体进行了3D重建；通过免疫荧光，活细胞荧光，CCK-8，LDH，离子释放检测了涂层对成骨细胞初期反应的影响；通过抑菌环，WST-8，活细菌荧光检测了涂层的持续抑菌功能。
　　结果：
　　丝素蛋白和庆大霉素在溶液中没有明显的化学结合，可能是通过共沉积的原理而电沉积形成涂层。电压20V和时间1min是一个比较合适的电沉积参数，涂层既能充分地包裹多孔假体，又没有出现大量的孔被过厚的涂层堵住的现象。涂层均匀完整连续地沉积在多孔假体的表面，而且该涂层特别薄（平均厚度2.41μm），对多孔假体毫米和微米尺度的多孔拓扑形态几乎没有改变，其主要对纳米尺度的拓扑形态和粗糙度有影响。涂层与假体表面的结合强度分别为3.77±0.34MPa（剪切力）和3.43±0.38Mpa（拉力）。电沉积过程中的阳极电化学腐蚀没有造成多孔支架的明显力学性能损失。涂层对成骨细胞初期反应（黏附，铺展，增殖及生物材料的细胞毒性）有所提高。涂层在一周内具有良好持续的抑菌作用。
　　结论：
　　本实验首次运用电沉积法在的多孔金属结构的内外表面均匀连续地构建出了丝素蛋白-庆大霉素的超薄涂层，并发现多孔金属结构的主要力学性能没有因为阳极的电化学腐蚀作用而损害，同时涂层还能改善材料表面生物相容，并具有良好的抑菌性。这种以中性丝素蛋白水溶液为基础材料的阳极电沉积涂层方法为其他医学多孔金属结构（如多孔钛的骨再生支架等）的功能改性提供了新方法和思路。

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英文缩略词对照表

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1. 前言

2. 实验材料与方法

2.1实验材料

2.2 实验方法

3. 实验结果

3.1 涂层的化学成分检测和电沉积参数的选择

3.2 涂层的对多孔假体表面的物理拓扑形态影响与其三维重建

3.3 电沉积过程对多孔假体的力学性能影响

3.4 涂层对成骨细胞初期反应的影响

3.5 涂层的持续抑菌功能

4. 讨论

5. 小结

6. 附图

参考文献

8. 病例报告

病例报告1

病例报告2

病例报告3

个人简历和研究成果

致谢