阿尔伯塔大学曾宏波院士/东大项力ACS Nano：双功能金属配位实现微型植入医疗器械表面高强度、超润滑和防污的双层纳米涂层构筑

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-01-02 08:08

正文

微型化的植入式医疗器械，如血管内微型机器人和小直径血管移植物，其表面通常需要修饰具有卓越机械强度和良好润滑防污性能的纳米涂层，才能在生理环境下正常工作。然而，由于机械强度和水化能力之间的内在权衡以及涂层厚度的限制，将这些特性整合到纳米级厚的涂层结构中一直具有挑战性。近年来，基于水合顶层和高交联底层的双层聚合物涂层虽有望通过聚合物链的深度渗透和缠结在亚毫米水平上结合这些性能，但在应用于纳米厚度层状结构时缺乏安全的界面强化策略来保证涂层整体机械稳定性。

在贻贝水下黏附科学领域，钒离子（V^III）最近被发现可通过金属-配体配位在贻贝厚度仅有~5 μm的角质层的机械强化中起到关键作用。然而，迄今为止，鲜有工作试图利用这种超强V^III-配体交联开发高性能超薄涂层材料。在作者看来，这可能为多功能超薄分层涂层结构设计提供了启示。基于此，东南大学项力副教授与阿尔伯塔大学曾宏波院士团队合作，通过双功能金属配位策略开发了一种兼具高机械强度和强水化能力的纳米厚双层涂层（厚度~25 nm）。接触力学和界面分子力测量证明了 V^III 在构建双层涂层结构中的双重功能。作为受体，V^III 离子可以 1) 通过交联蛋白质网络内的配体来增强蛋白质底层机械强度；2) 同时将设计的ABA三嵌段亲水聚合物的末端嵌段锚定到底层，形成水合顶层。归功于 V^III 螯合保障的牢固分层结构，这种纳米厚度的双层显示出卓越的承载和持久的超级润滑性能（即，在约 10 MPa 接触压力下，经过 100 个循环的摩擦测试，摩擦系数仍然保持在10^-3量级），并且在复杂的生物流体环境中表现出不易被污染的能力。这项工作提出了一种将看似不相容的特性集成到超薄涂层中的新颖策略，有望为生物医学和生物工程应用的各种微型设备/机器定制多功能表面。

相关工作以“Mechanically Robust, Superlubricating and Antifouling Bilayer Nanocoating for Micro-Bioimplants via a Dual-Function Metal Coordination Approach”为题，发表在ACS Nano上。东南大学项力副教授为本文的第一作者，加拿大阿尔伯塔大学曾宏波教授（加拿大皇家科学院与加拿大工程院院士）、东南大学蒋金洋教授和张嘉文教授为论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、江苏省基础研究计划以及加拿大自然科学和工程委员会自然科学基金等项目的资助。

【超薄双层涂层制备】

采用简单的浸涂法通过两步表面修饰方式制备了超薄双层涂层，如图1所示。富含羧基的牛血清蛋白（BSA）蛋白通过与基底的多种分子间相互作用牢固地附着在目标表面形成底层。ABA三嵌段共聚物，即聚丙烯酸-b-聚(乙二醇)-b-(聚丙烯酸)（PA-PEG-PA）。共聚物两个末端“A”和BSA蛋白均含有羧基可作为配体位点。引入V^III离子可通过金属配体相互作用将PA-PEG-PA固定到 BSA蛋白层，共聚物亲水的中间段“B”采用环状构象作为顶层。同时，V^III离子也可以扩散到BSA底层，通过形成V^III-羧基络合物加强BSA网络机械性能。制备的超薄纳米双层涂层命名为BSA/V^III/PA-PEG-PA涂层。

图1 基于双功能金属配位构筑超薄双层涂层。

【钒离子调控双层涂层层间桥接效应的界面分子力测量】

如图2所示，在模拟生理水环境下，利用表面力仪（SFA），通过改变V^III浓度，探究了BSA底层与含有羧基的模型顶层之间的相互作用机制，直接量化了V^III-羧基络合作用强度，证明了保障纳米双层涂层结构稳定性的层间桥接效应源自于V^III-羧基超强络合。

图2 V^III-配体络合作用实现纳米双层涂层层间桥接的微纳力学验证

【基于接触力学实验的BSA底层机械性能评估】

如图3所示，利用表面力仪，通过接触力学测试，对引入V^III前后BSA底层网络机械性能变化展开研究。实验结果表明，V^III络合作用能够极大地增强BSA底层的机械模量。

图3基于表面力仪的BSA底层接触力学测试

【纳米双层涂层摩擦性能评估】

如图4所示，在模型生理环境中，所制备的纳米双层涂层可在高达10 MPa的压强下保持超润滑量级的润滑性能，摩擦系数为~0.008（图4）。并且，涂层的润滑性可在接近4个数量级（0.02-50 μm/s）的相对滑动速度下保持稳定，这种与速度无关的润滑行为符合Amontons定律，扩展了涂层在更复杂情况下的潜在适用性，例如，在低（人工静脉）和高（人工动脉）血液流动速度下，血管移植物需要保持其内壁润滑，以减少对流动血液的阻力。

图4纳米双层涂层摩擦性能评估

【纳米双层涂层抗污性能评估】

如图5所示，纳米双层涂层展现出对常见的生物污染物模型蛋白具有极高的防吸附效果。例如，在空白基底上，生物污染物的吸附量超过了5000 ng/cm²，而在纳米双层涂层上，污染物吸附量可降至50 ng/cm²以下。并且，污染物在涂层上的重复吸附-脱附过程完全可逆，这表明涂层的抗污染能力是不易受影响的，具有用于长期在体内使用的植入式医疗器件表面功能化的巨大潜力。

图5纳米双层涂层抗污性能测试

【纳米双层涂层的生物医学应用】

如图6所示，将纳米双层涂层修饰在人造血管移植物内表面，评估了其在医用植入器件中的潜在应用。实验表明，纳米双层涂层具有显著的防污效果，在为期10天的体外循环血液实验结束后，其内壁吸附的污染物依然很少，管内血液流动依旧通畅。

图5纳米双层涂层在人造血管移植物中的应用

小结：本文基于双功能V^III配位策略，开发了一种具有卓越机械强度、润滑和防污性能的纳米厚度双层结构涂层，可用于微型生物植入物表面修饰。V^III双功能作用体现在增强BSA 蛋白质底层网络机械强度作为承载层，同时锚定 PA-PEG-PA高分子作为顶层承担抗污润滑作用。尽管厚度仅为纳米级，双层涂层可承受高达 10 MPa 的压力，并凭借水合顶层保持涂层的高润滑性以及在生理环境下的抗污能力。这种超薄、分层、多功能的涂层在生物医学应用中各种微尺度生物植入物的表面工程中展示出一定的前景。

来源：高分子科学前沿

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