天津大学ACS Nano：壳聚糖微球增强型双性离子水凝胶涂层显著促进骨愈合

在骨科临床中，可吸收聚乳酸（PLA）材料因其良好的生物降解性和可塑性被广泛用于骨折内固定装置。然而，PLA表面疏水性强，易引发蛋白质、血小板和细菌附着，导致炎症反应、血栓形成甚至感染，严重影响患者康复。据统计，骨科手术中约56%的患者出现种植体周围炎症或感染。因此，开发一种能够有效抗污、抗炎并促进骨整合的功能性涂层，成为当前植入医疗器械领域的重要挑战。

近日，天津大学魏玉萍教授、李俊杰教授和厦门大学附属东南医院Yi Yunfeng合作提出了一种新型壳聚糖微球（CSM）增强的聚磺酸甜菜碱（PSBMA）双性离子水凝胶涂层，用于PLA骨固定装置表面改性。该涂层通过界面自催化聚合和原位凝胶化技术构建，不仅具备优异的机械强度和抗膨胀性能，还能有效抵抗蛋白质、血小板、细胞和细菌的粘附。在体内实验中，该涂层显著减轻了异物反应，并加速了大鼠股骨骨折的愈合过程。相关论文以“Durable Zwitterionic Hydrogel Coating Reinforced with Chitosan Microspheres for Bone Fracture Fixation Devices”为题，发表在ACS Nano。

研究中，壳聚糖微球作为分散相被引入PSBMA连续相中，形成了具有两相结构的水凝胶复合材料。图1展示了CSM在酸性介质中的溶胀行为及其在预凝胶溶液中的分布状态，为后续聚合过程中PSBMA链穿透CSM形成互穿网络提供了基础。图2进一步揭示了CSM对水凝胶力学性能和抗膨胀能力的增强作用：随着CSM含量的增加，水凝胶的拉伸强度和压缩强度显著提升，同时平衡溶胀率下降，结构更加致密。

图1：（a）CSM在酸性介质中溶胀前后的光学图像。（b）双性离子单体自催化聚合示意图。（c）CSM增强双性离子水凝胶的制备流程示意图。

图2：CSM/PSBMA水凝胶的力学与抗膨胀性能。（a）拉伸与（c）压缩应力-应变曲线。（b）拉伸与（d）压缩应力及模量。（e）水凝胶的平衡溶胀率。（f）PSBMA与（g）CSM20/PSBMA水凝胶溶胀平衡后的SEM图像。（h）水凝胶在室温、1 Hz频率下的阻尼因子（tan δ）。

图3详细描述了CSM增强水凝胶涂层的构建过程及其表面性质。通过聚多巴胺（PDA）作为中间层，实现了水凝胶与PLA基底的牢固结合。红外与XPS分析证实了PSBMA与CSM的成功复合，接触角测试显示涂层具有超亲水表面，SEM图像则直观展示了CSM在涂层中的均匀分布。图4进一步研究了涂层的生长动力学与界面粘附强度，发现适量CSM（如CSM5）可显著提高涂层与基底的结合力，而过高含量则因界面聚合受阻导致粘附下降。

图3：CSM增强双性离子水凝胶涂层的构建。（a）涂层制备流程示意图。（b）PLA、PLA/PDA、PSBMA与CSM/PSBMA涂层的ATR-FTIR光谱。（c）XPS全谱。（d）PLA/PDA与PSBMA涂层的N 1s高分辨谱。（e）CSM/PSBMA涂层的N 1s高分辨谱。（f）各涂层的水接触角。（g）各涂层的SEM图像及CSM/PSBMA涂层中S元素分布图。

图4：CSM增强水凝胶涂层的生长与粘附强度。（a）不同CSM含量涂层聚合30秒后的截面SEM图像。（b）CSM5/PSBMA涂层在不同聚合时间下的截面SEM图像。（c）涂层厚度随CSM含量的变化。（d）涂层厚度随聚合时间的变化。（e）不同CSM含量涂层的剥离力-位移曲线。（f）涂层的粘附能。（g）90°剥离实验示意图及典型两阶段应力-位移曲线。（h）三阶段非线性界面应力-位移曲线模型。

在抗污性能方面，图5结果表明CSM/PSBMA涂层对纤维蛋白原、牛血清白蛋白、血小板、L929细胞以及大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的粘附均显著低于纯PLA和纯PSBMA涂层，展现出卓越的广谱抗粘附能力。图6则通过浸泡、剪切、超声和水冲实验验证了涂层的长期稳定性，CSM的引入有效提升了涂层的耐久性与机械鲁棒性。

图5：CSM/PSBMA涂层的抗污性能。（a）Fg与（b）BSA在各表面的吸附量。（c）血小板粘附抑制率。（d）L929细胞粘附抑制率。（e）大肠杆菌与（f）金黄色葡萄球菌的粘附率。

图6：CSM/PSBMA涂层的稳定性。（a）浸泡30天过程中接触角变化。（b）浸泡后蛋白质吸附行为。（c-e）剪切7天后接触角、BSA吸附与血小板粘附行为。（f-h）超声处理30分钟后接触角、BSA吸附与血小板粘附行为。（i）超声后涂层表面SEM图像。（j）水冲30分钟后涂层粘附情况。

生物相容性评价（图7）显示，该涂层溶血率低于1%，细胞活性超过95%，且在大鼠皮下植入实验中显著减轻了胶原纤维囊形成和炎症细胞浸润，降低了促炎因子IL-1β和TNF-α的表达。最终，在大鼠股骨骨折模型中（图8），CSM/PSBMA涂层修饰的PLA固定器在8周内实现了完全骨愈合，骨再生率显著高于未涂层组，显示出优异的成骨促进能力。

图7：CSM/PSBMA涂层的生物相容性。（a）溶血率及光学图像。（b）细胞相对活性。（c）Masson三色染色图像。（d）纤维囊厚度统计。（e）H&E染色图像。（f）巨噬细胞免疫荧光染色（DAPI与CD68）。（g）巨噬细胞阳性率统计。（h-l）IL-1β、TNF-α与IL-10的免疫组化染色图像。（i,k,m）各炎症因子表达水平统计。

图8：CSM/PSBMA涂层促进股骨骨折愈合。（a）大鼠股骨骨折内固定模型示意图。（b）术后0、2、4、8周股骨微CT三维图像。（c）H&E染色与（d）Masson染色图像。（e）骨再生率统计。

综上所述，本研究成功开发了一种具有高强度、抗膨胀、抗污和促愈合多重功能的CSM/PSBMA双性离子水凝胶涂层，为可吸收骨固定装置的表面功能化提供了创新解决方案。该涂层在模拟体内环境中表现出卓越的稳定性与生物相容性，未来有望广泛应用于各类植入式医疗器械，推动骨科修复材料向更安全、更智能的方向发展。