原创Guo ZX 抗菌科技圈
第一作者：Xiao-Kang Fu
通讯作者：Guo-Liang Hou, Wei Ha
通讯单位：中国科学院兰州化学物理研究所.
研究速览
近期，国科学院兰州化学物理研究所的Xiao-Kang Fu在ACS Applied Materials & Interfaces上发表了关于氧化石墨烯混合超分子水凝胶仿生羟基磷灰石涂层的抗菌和自润滑性能的研究工作。羟基磷灰石(HA)生物陶瓷涂层已广泛应用于改性金属植入物来提高生物相容性和使用寿命。但如何减弱HA涂层的高摩擦、严重磨损和细菌入侵等问题使其运用与人工关节中的焦点问题。该工作根据生物启发的软/硬组合策略，通过真空渗透和随后的主−客体交互诱导自组装过程，开发了一种新型的用万古霉素氧化石墨烯(GO)混合超分子水凝胶渗透的HA复合涂层，该策略提供了一个稳定的容器来形成和存储氧化石墨烯混合水凝胶（甚至可以回收磨损碎片）。经过研究HA复合涂层能够通过独特的剪切力和/或摩擦热触发凝胶−溶胶过渡和持续的药物释放，并且具有显著的自我润滑、耐磨性能和有前途的对金黄色葡萄球菌的抗菌性能。与纯HA涂层相比，复合涂层的摩擦系数和磨损率分别降低了近5倍和3个数量级。
要点分析
要点一：复合涂层的设计：在本研究中开发了一种新型的羟基磷灰石（HA）复合涂层，它结合了氧化石墨烯（GO）杂化准聚轮烷（PPR）超分子水凝胶和纹理HA涂层。GO/氨基聚（乙二醇）甲基醚（GO/PEG NH2）和α-环糊精（α-CDs）组成的混合水溶液通过真空渗透工艺掺入织构化HA涂层的孔中，并且通过α-CD和PEG链之间的主客体相互作用在HA涂层的孔中原位形成GO杂化超分子水凝胶（方案1）。
要点二：润滑机理：在本研究中纹理 HA 陶瓷涂层的孔提供了一个稳定的容器来形成和储存 GO 混合水凝胶，甚至还可以回收磨损碎片。由于其剪切力和摩擦热诱导的凝胶-溶胶转变特性，储存的混合水凝胶能作为关节运动响应性滑液，为其提供润滑性。
要点三：抗菌机理：在本研究中通过在 GO 杂化水凝胶中加载万古霉素来使水凝胶表现出万古霉素的长期缓释时间行为和对金黄色葡萄球菌的优异抗菌性能。同时，负载万古霉素的杂化水凝胶也赋予了复合涂层在渗透后具有良好的抗菌性能。
图文导读
图 1. (A) GO 和 (B) GO/PEG-NH2 的 AFM 图像。 (C) GO 和 (D) GO/PEG-NH2 的高度剖面对应于 (A) 和 (B)。 (E) GO 和 GO/PEG-NH2 的表面 zeta 电位 (n = 3)。
图 2. (A) 混合水凝胶制备和万古霉素加载工艺的示意图。 (B) GO (8 mg/mL)、mPEG-NH2 (16 mg/mL) 和α-CD (60 mg/mL) 混合溶液形成的混合水凝胶的图片。 (C) 冻干混合水凝胶的 X 射线衍射图。 (D) 冻干天然水凝胶 (不含 GO, GO0PEG16CD60) 和 (E) 混合水凝胶的 SEM 图像。
图 3. (A) 天然水凝胶和 (B) 混合水凝胶的动态频率扫描。 (C) 天然水凝胶和 (D) 混合水凝胶的动态阶跃应变流变测试。 (E) 热处理后混合水凝胶的凝胶-溶胶转变图片。
图 4. 纹理 HA 涂层和混合水凝胶渗透 HA 涂层的形态。 (A) 纹理涂层的三维 (3D) 和 (B) 二维 (2D) 形态。 (C) 纹理涂层的 OM 图像。 (D) SEM 和 (E) 单个纹理孔在混合水凝胶渗透前后的 ESEM 图像。
图 5. 通过在 z 方向（λex = 633 nm）从底部到顶部进行层扫描获得的涂层的 CLSM 图像。 (A) 纹理 HA 涂层（每层的距离为 2 μm）。 (B) 用负载 CySO3OH 的混合水凝胶渗透后的纹理 HA 涂层（每层的距离为 1 μm）。 (C) 用负载 CySO3OH 的混合水凝胶渗透后的纹理 HA 涂层的单孔 (每层的距离为 1 μm)。 (D-F) 分别为(A)-(C) 的 z 方向视图。
图 6. (A) Vero 细胞和 MRC-5 细胞与混合水凝胶孵育 24 小时 (n = 5) 后的 MTT 结果。 (B) 纹理 HA 涂层提取物对 Vero 和 MRC-5 细胞 (n = 5) 的 MTT 结果。 (C) 纹理 HA 涂层和复合涂层的 CLSM 图像，在 z 方向上从下到上层扫描（每层的距离为 2 μm）。 纹理涂层和复合涂层分别扫描 47 层和 29 层。 (D) (C) 的 z 方向视图。 对于所有 CLSM 数据收集，λex = 488 nm。
图 7. (A) 使用混合水凝胶作为对照 (n = 4) 与负载万古霉素的混合水凝胶孵育 24 小时后金黄色葡萄球菌的细菌活力。 (B) 用纹理 HA 涂层、复合涂层和万古霉素负载复合涂层孵育 24 小时后对金黄色葡萄球菌的抑制区测试。 (C) 在 37°C (n = 3) 下从 PBS (10 mM, pH 7.4) 中的混合水凝胶中释放万古霉素的曲线。
图 8. 涂层的摩擦学性能。 (A) 平均摩擦系数 (n = 3)、(B) 摩擦系数曲线和 (C) 抛光 HA 涂层、纹理 HA 涂层和复合涂层 (n = 3) 的磨损率。 (D) 抛光 HA 涂层磨痕的 3D 和 2D 轮廓和 (E) 复合涂层磨痕的 3D 轮廓。
图 9. 涂层磨损表面的形态。 (A, B) 纹理 HA 涂层磨损表面的 SEM 图像。 (C) 复合涂层磨损表面的 SEM 图像。 (D) 图像 (C) 中磨痕中孔边缘的高倍放大图像。 (E) 复合涂层磨痕中孔边缘的 EDS 映射。
图 10. 复合涂层可能的摩擦自响应润滑和耐磨机制的图示。
结论
在这项工作中，作者利用热喷涂、紫外激光表面处理、真空渗透法、以及原位主客体相互作用诱导自组装等策略开发了一种新型 HA 复合涂层。主要发现如下：
- HA涂层中的纹理孔可以作为水凝胶形成和储存的稳定容器。由于杂化水凝胶独特的凝胶-溶胶转变行为，其可以在剪切力或/和摩擦热下转化为溶胶相，从而在摩擦的牵引下移出并在磨损表面形成润滑膜，降低摩擦和抗磨损性能。
- 纹理孔的腾出空间成功地回收了磨损碎屑，进一步抑制了接触表面的磨损和摩擦。
- 由于这种独特的摩擦自响应润滑和耐磨机制，复合涂层与抛光 HA 涂层和织构 HA 涂层相比摩擦系数和磨损率降低了近 5 倍（从 0.43 ± 0.004 到 0.089 ± 0.002）和三个数量级（从 1.39 × 10−2 mm3/Nm 到 1.07 × 10−5 mm3/Nm）。
- 在 GO 杂化水凝胶中加载万古霉素后，水凝胶表现出万古霉素的长期缓释时间行为（14 天）和对金黄色葡萄球菌的优异抗菌性能（MIC 为 80 μg/mL）。同时，负载万古霉素的杂化水凝胶也赋予了复合涂层在渗透后具有良好的抗菌性能。
全文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c07869
参考文献： Xiao-Kang Fu, Hao-Bo Cao, Yu-Long An, Hui-Di Zhou, Yan-Ping Shi, Guo-Liang Hou, and Wei Ha. Bioinspired Hydroxyapatite Coating Infiltrated with a Graphene Oxide Hybrid Supramolecular Hydrogel Orchestrates Antibacterial and Self-Lubricating Performance. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022.
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