纤维素类型对电泳沉积法制备钛基纤维素/姜黄素/壳聚糖涂层微观结构与性能的影响研究

　　推荐：本研究针对钛基骨科植入物易发生感染的问题，通过电泳沉积(EPD)技术开发了纤维素纳米纤维(CNF)/姜黄素/壳聚糖复合涂层。研究发现CNF可显著提升涂层的机械性能和耐腐蚀性，且对金黄色葡萄球菌(S. aureus)展现出强抗菌活性，为抗感染植入材料设计提供了新策略。

　　

钛及其合金因其优异的力学性能和生物相容性，长期以来被视为骨科植入物的首选材料。然而，这些金属材料表面易形成细菌生物膜，导致植入物相关感染(IRI)风险，严重时可引发植入失败。尽管抗生素涂层曾被广泛研究，但耐药菌株的出现促使科学家转向天然抗菌剂。姜黄素作为一种天然植物提取物，具有广谱抗菌、抗炎和抗癌特性，但其生物利用度低且机械性能差的问题限制了应用。壳聚糖作为生物相容性聚合物虽能改善药物负载，但纯壳聚糖涂层在生理环境中稳定性不足。

为突破这些限制，波兰国家科学中心资助的研究团队在《Applied Surface Science》发表论文，创新性地将两种纤维素衍生物——纤维素纳米纤维(CNF)和羧甲基纤维素(CMC)与姜黄素共同整合到壳聚糖基质中，通过电泳沉积技术在钛表面构建多功能复合涂层。研究通过zeta电位分析、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、电化学测试和微生物实验等系统评估了涂层的性能。

关键技术方法包括：1) 电泳沉积(EPD)工艺优化；2) 原子力显微镜(AFM)和光学轮廓仪表征表面形貌；3) X射线衍射(GIXRD)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析化学结构；4) 电化学阻抗谱(EIS)评估耐腐蚀性；5) 针对金黄色葡萄球菌(S. aureus)和大肠杆菌(E. coli)的抗菌及抗生物膜实验。

【分散体系对涂层沉积的影响】
研究发现CNF和CMC在水分散体系中均带负电，证实壳聚糖分子通过吸附机制携带纤维素共沉积。CMC因与壳聚糖形成聚电解质复合物(PEC)而难以形成均匀涂层，而含0.25 g/L CNF的体系在10 V电压下可获均匀沉积。TEM显示涂层中姜黄素呈亚微米球形颗粒，与CNF共同均匀分散于壳聚糖基质。

【纤维素类型对涂层性能的影响】
CNF使涂层粘附强度提升83%（临界载荷2.20 N vs 1.20 N），而CMC涂层因结构不均导致性能下降。划痕测试显示CNF涂层仅在高载荷下出现窄幅剥离，表现出优异韧性。

【表面特性与润湿性】
CNF涂层使表面粗糙度参数Sa从0.57 μm增至1.18 μm，水接触角为92.4°±1.2°，呈现适度疏水性。FT-IR证实姜黄素羟基与壳聚糖环状结构形成氢键，CNF则通过暴露的氧原子增强分子间作用力。

【电化学性能】
在Hank's溶液中，CNF/姜黄素/壳聚糖涂层的腐蚀电流密度低至3.98×10^-7
A/cm²
，较未涂层钛降低73%。EIS显示其电荷转移电阻达24.3×10³
Ω，表明优异防护效果。

【微生物活性】
该涂层对S. aureus的杀菌率达99%（菌落数从5.38降至3.12 logCFU/mL），生物膜代谢活性抑制达98.2%。但对E. coli无明显效果，显示抗菌特异性。

【生物相容性】
尽管涂层对MG-63和FaDu细胞系显示一定细胞毒性（代谢活性降至19.2%和29.2%），但其抗菌性能显著优于纯壳聚糖涂层。

这项研究首次实现CNF/姜黄素/壳聚糖体系在钛基材上的电泳共沉积，通过多尺度结构设计同步提升机械强度、耐蚀性和抗菌性能。特别是对骨科感染主要病原体S. aureus的特异性抑制，为开发兼具结构功能和生物活性的植入体涂层提供了新思路。未来研究可进一步优化纤维素含量以平衡生物相容性与抗菌效能，推动该技术向临床转化。