基于微噴技術(shù)的鈦合金表面載藥涂層制備方法

孫波，孫懷遠(yuǎn),2 △，宋曉康，劉志強(qiáng)

(1.上海理工大學(xué) 上海 200093；2.上海健康醫(yī)學(xué)院 上海 200093)

1 引 言

隨著醫(yī)療技術(shù)的不斷進(jìn)步和人們生活水平的不斷提高，諸如人工關(guān)節(jié)、骨折內(nèi)固定及脊柱矯形器械等金屬內(nèi)植物的市場需求量不斷攀升，其中生物醫(yī)用鈦合金材料以其優(yōu)良的性能，成為全球外科植入物及矯形器械產(chǎn)品生產(chǎn)所需的主要金屬材料[1]。而鈦合金類內(nèi)植物的相關(guān)感染問題一直存在，這類感染被稱之為“生物材料相關(guān)感染”[2]。隨著金屬內(nèi)植物在生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)業(yè)中越來越多的應(yīng)用，其感染率也隨之上升，已成為亟待解決的難題。目前認(rèn)為，金屬表面載藥涂層是解決金屬內(nèi)植物表面感染問題的重要方式之一[3]。

金屬表面涂層技術(shù)的研究由來已久，傳統(tǒng)的工藝方法有浸涂法、熱噴涂法、等離子噴涂、溶膠凝膠法和涂覆燒結(jié)法等；現(xiàn)代制作工藝更加精確可控，比如超聲霧化噴涂。本研究提出一種新的涂層工藝制作方法，數(shù)字化微量噴涂法，基于壓電微噴技術(shù)，在金屬表面制作三氯生-PLGA聚合物涂層。

數(shù)字化微噴系統(tǒng)是微流體控制應(yīng)用的一個重要體現(xiàn)。該系統(tǒng)基于驅(qū)動技術(shù)、氣壓控制、微噴嘴、視覺技術(shù)和軟件控制等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)可視化的微流體噴射過程[4]。微噴技術(shù)噴射過程液滴量級低至皮升級，并且可控性好，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)噴射和按需噴射兩種模式；該技術(shù)還具有高精度、高利用率和非接觸式等特點(diǎn)。目前，基于微噴的諸多優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)已在組織工程、生物醫(yī)藥、印刷電子和光學(xué)器件等領(lǐng)域進(jìn)行研究應(yīng)用。在生物制藥領(lǐng)域，微噴技術(shù)主要用于微膠囊制造、心血管支架涂層和可控釋放藥物制造[5]。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 材料和微噴系統(tǒng)

鈦合金片20 mm×20 mm； 聚乳酸-羥基乙酸(PLGA，50:50，分子量38000)，濟(jì)南聚福凱生物技術(shù)有限公司提供，作為藥物載體；三氯生(Triclosan，純度>99.9%)，一種廣譜抗菌劑，上海一飛生物科技有限公司提供；其他試劑均為分析純。

數(shù)字化三維微噴系統(tǒng)示意圖，見圖1，主要由噴射、驅(qū)動、氣壓、視覺等模塊組成。精確的平臺運(yùn)動模塊和數(shù)字驅(qū)動噴射模塊可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的液滴噴射過程；機(jī)器視覺模塊(工業(yè)CCD相機(jī))可實(shí)現(xiàn)液滴噴射的過程的實(shí)時觀測。實(shí)驗(yàn)所用微噴頭為MicroFab公司的MJ-A系列可加熱壓電噴頭，其工作原理是利用了逆壓電效應(yīng)，由噴頭內(nèi)部的壓電換能器產(chǎn)生體積變化，使腔內(nèi)液體產(chǎn)生壓力波，帶動腔內(nèi)液體一起運(yùn)動，壓力波傳至噴嘴處轉(zhuǎn)換為流體動能，使微液滴從噴嘴噴出[6]。該噴頭可實(shí)現(xiàn)連續(xù)打印及按需打印兩種工作模式，適用于點(diǎn)噴水性物質(zhì)或相關(guān)溶液產(chǎn)生微小液滴。

圖1 微噴系統(tǒng)示意圖

Fig1Digitalmicro-injectionsystemdiagram

2.2 涂層制備、表征和釋放

2.2.1制備涂層 微噴系統(tǒng)控用于調(diào)控噴頭噴射行為的參數(shù)包括兩個——脈沖電壓和頻率，本實(shí)驗(yàn)用于驅(qū)動壓電噴頭的脈沖電壓波形見圖2。試驗(yàn)中保證Rise Time1、2, Dwell Time, Fall Time, Echo Time , Idle Voltage參數(shù)不變，調(diào)整住電壓(Dwell Voltage)和頻率(Frequency)進(jìn)行噴涂。

圖2 用于驅(qū)動噴射的脈沖波形

Fig2Thepulsewaveformusedtodrivethejet

對鈦合金片進(jìn)行預(yù)處理，分別用400、800、1200目砂紙進(jìn)行打磨處理，然后放入無水乙醇中進(jìn)行超聲清洗5 min。三氯生-PLGA-二氯甲烷溶液配制：精確稱取定量三氯生和PLGA充分溶解于10 ml二氯甲烷溶液中。

在預(yù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，電壓和頻率參數(shù)的限定見表1，進(jìn)行最終的噴涂實(shí)驗(yàn)研究。在處理后的鈦合金片上進(jìn)行噴涂，調(diào)用矩陣噴射程序，在“On The Fly”模式下噴涂一個10 mm×10 mm的矩形區(qū)域，重復(fù)進(jìn)行噴涂10遍。在噴涂完成后，將鈦合金片置于真空干燥箱中，干燥6 h。

2.2.2涂層形貌表征 將制備好的PLGA載三氯生含藥涂層鈦合金片在場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡(美國FEI公司，Quanta FEG 450)下進(jìn)行觀測，以確定涂層表面形貌特征，部分掃描圖像見圖3(圖示為500倍的掃描電鏡照片對比)。

表1 微噴系統(tǒng)噴射參數(shù)設(shè)置

2.2.3藥物釋放研究 采用紫外分光光度計(jì)(賽默飛世爾科技公司，NanoDropTM2000/2000C)測定釋放溶液中藥物濃度。將制備的鈦合金表面載藥涂層置于10 ml PBS緩沖溶液中(pH=7.2)，溶液中加入0.5%的十二烷基苯磺酸鈉(促進(jìn)三氯生溶于緩沖液中)，放置在37℃恒溫箱中。每隔5 h進(jìn)行一次取樣，取樣后補(bǔ)足PBS緩沖液。利用紫外分光光度計(jì)對樣品液進(jìn)行測試(280.5 nm)，分析數(shù)據(jù)并繪制藥物釋放曲線。

3 結(jié)果與討論

3.1涂層的形貌

利用單一變量控制方法，探究了電壓和頻率對微噴涂層的影響。參數(shù)的變化，影響了液滴噴射過程，主要表現(xiàn)在液滴的大小和噴射速率，最終影響了涂層的表面特征[7]。圖3為掃描電鏡照片，對應(yīng)的涂層制備參數(shù)如圖中所示(D對應(yīng)Dewell Voltage值，F(xiàn)對應(yīng)Frequency值)。

電壓Dwell Voltage控制組(頻率800 Hz)部分涂層掃描電鏡照片見圖3(1～4)，該組實(shí)驗(yàn)獲得的藥物涂層表面較粗糙，不均勻，有斑點(diǎn)。隨著電壓的逐漸增大，液滴逐漸趨于均勻穩(wěn)定，涂層相對平整光滑；當(dāng)電壓增至56 V時，涂層最佳，見圖中編號3，隨后，液滴出現(xiàn)微小衛(wèi)星滴，噴涂不穩(wěn)定，涂層形貌差。

電壓Dwell Voltage控制組(頻率1 000 Hz)部分涂層掃描電鏡照片見圖3(5～8)，涂層表面平整光滑，極少出現(xiàn)斑點(diǎn)，在電壓在46～58 V時，液滴狀態(tài)大小均勻穩(wěn)定，獲得較好涂層。

頻率控制組部分涂層掃描電鏡照片見圖3(9～12)，隨著頻率的變化，涂層表面形貌隨之改變。該組實(shí)驗(yàn)中，頻率在1100 Hz時，獲得了較好的涂層(見圖3中11)，頻率減小或增大時，均出現(xiàn)相對不均勻的涂層形貌。

圖3PLGA載藥涂層掃描電鏡照片，掃描放大倍數(shù)500。

Fig3ThescanningelectronmicrographsofPLGAdrugcoating,scanningmagnification500.

以上結(jié)果表明，微噴系統(tǒng)電壓和頻率對于噴涂過程有著重要的影響。在涂層制備過程中，合理調(diào)整電壓和頻率，在可視化噴點(diǎn)系統(tǒng)下，保證形成的液滴達(dá)到較好的狀態(tài)，避免出現(xiàn)衛(wèi)星滴等情況，才能確保制備出表面光滑均勻的藥物涂層。

3.2藥物釋放曲線

載藥涂層的藥物釋放有著至關(guān)重要的作用，一個理想的載藥涂層要能按藥物作用模式釋放藥物，并且釋放藥物的濃度與時間可控制[8]。

三氯生是一種廣譜抗菌劑，廣泛應(yīng)用于日用化學(xué)品、醫(yī)療消毒、及衛(wèi)生保健產(chǎn)品等，能夠有效抑制有害細(xì)菌大腸桿菌和金黃色葡萄球菌，其有效抑菌濃度為0.2～20 mg/ml。段可等利用PLGA微球載三氯生抗生素，三氯生有效釋放并抑制了細(xì)菌滋生[9]。

本實(shí)驗(yàn)藥物釋放曲線的測定，選擇了3組藥物涂層(噴涂參數(shù)均為脈沖電壓46 V，噴射頻率1 000 Hz)作為研究對象，圖4為三氯生藥物濃度曲線。從圖中可以看出，釋放分為兩個階段，第一個階段是初期的藥物突釋，在最初30 h，載藥涂層釋放的藥物濃度迅速升到了0.4 mg/ml；第二個階段是藥物的緩慢釋放階段，在30～100 h這段時間內(nèi)，藥物濃度平穩(wěn)增長，增幅變緩。釋放實(shí)驗(yàn)表明，由微噴技術(shù)制備的藥物涂層，其釋放規(guī)律基本滿足需要，并能夠達(dá)到有效抑菌濃度范圍。

圖4 藥物涂層體外釋放曲線

4 結(jié)論

對采用微噴射技術(shù)制備三氯生-PLGA載藥涂層的測試與分析得到以下結(jié)論：

(1) 微噴技術(shù)應(yīng)用于金屬表面制備載藥涂層具備可行性，其中噴涂參數(shù)電壓和頻率是影響載藥涂層效果的重要因素；

(2) 掃描電鏡照片表明，微噴技術(shù)下制備的藥物涂層，表面平整光滑，符合對載藥涂層的基本要求；

(3) 藥物釋放實(shí)驗(yàn)表明，三氯生-PLGA載藥涂層釋放分為快速釋放和緩慢釋放兩個階段，其釋放的藥物能夠達(dá)到有效的抑菌濃度。