卢玉普|任文龙|李琦|赵彦杰|曾荣昌|周永生|张芬|郑玉峰|夏丹丹
北京大学口腔医学院及医院牙科材料系，国家口腔医学中心，国家口腔疾病临床研究中心，国家口腔生物材料与数字医疗设备工程研究中心，北京数字口腔医学重点实验室，国家卫生健康委员会数字口腔医学重点实验室，国家药品监督管理局牙科材料重点实验室，中国北京 100081
摘要
可降解的锌（Zn）基植入物在骨科应用中显示出巨大潜力。然而，Zn基植入物降解过程中释放过多的Zn2+ 会降低其生物相容性并影响骨形成活性。层状双氢氧化物（LDHs）因其能够调节降解行为，同时具备优异的生物相容性和骨诱导能力，成为一种有前景的解决方案。本研究采用原位生长方法在Zn-0.8Mg合金基底上制备了Zn-Al LDH涂层。随后，探讨了溶液pH值对LDH涂层降解行为、细胞毒性和骨形成能力的影响。得益于所制备LDH涂层的独特特性，在pH=11条件下制备的Zn-0.8Mg合金涂层表现出均匀分布的纳米片层，并具有优异的耐腐蚀性。在降解过程中，pH=11条件下制备的LDH改性Zn-0.8Mg合金植入物释放的Zn2+ 浓度较低，这有助于提高体外培养中的细胞相容性、促进成骨细胞增殖和骨形成分化，并加速体内骨再生。此外，还阐明了LDH涂层在Zn基合金表面的形成机制。转录组分析进一步表明，LDH涂层通过激活Wnt/β-catenin和PI3K/Akt信号通路促进了骨形成分化。总体而言，本研究为提高Zn基合金的生物相容性和骨再生能力提供了可行策略，拓宽了其生物医学应用范围。
意义声明
作为极具前景的可降解金属，Zn基合金已成为牙科和骨科研究的热点。然而，初始降解过程中释放过多的Zn
2+ 可能引发不良生物反应，限制其临床应用。本研究通过原位生长方法在不同pH值下制备了LDH涂层的Zn-0.8Mg合金，以调节降解行为、改善生物相容性并增强骨形成性能。结果表明，在pH=11条件下制备的LDH涂层Zn-0.8Mg合金具有显著优化的耐腐蚀性、生物相容性和骨形成性能，从而提升了其作为植入物的潜力。
引言
作为可降解金属，锌（Zn）基合金在牙科和骨科领域成为有前景的生物材料。与其他可降解金属（如镁（Mg）和铁（Fe）基合金相比，Zn基合金的优势在于具有理想的降解速率，且不会产生氢气释放或不可降解副产物的积累[1]。在各种Zn基合金中，Zn-Mg合金被认为是骨再生最具潜力的候选材料之一[2]。在降解过程中，Zn-Mg合金释放的Zn2+ 和Mg2+ 在骨形成和矿化过程中起关键作用[3]。然而，Zn基合金早期降解阶段释放过多的Zn2+ 可能导致不良生物反应，包括体外细胞毒性及体内骨整合延迟[4,5]。因此，如何控制Zn基合金的降解速率以优化Zn2+ 的释放，从而提升其生物相容性和骨形成性能，已成为研究热点。
表面改性技术对于调节Zn基合金的降解行为和生物活性具有重要意义。近年来，针对Zn基合金开发了大量涂层方法。例如，在Zn-Ag-Mg合金表面制备了羟基磷灰石增强的微弧氧化（MAO）涂层，表现出良好的降解行为和增强的生物活性[6]；通过交替浸渍法在Zn基底上制备了唑来膦酸钙硅酸盐金属-有机/无机杂化涂层，实现了生物活性离子的持续释放并促进了骨折愈合[7]；通过浸渍法在Zn-Cu-Ti膜上制备了ZnP涂层，显示出适宜的降解速率和良好的骨形成效果[8]；通过“嫁接”技术在Zn-Mg合金表面沉积了聚甲基丙烯酸甲酯涂层，显著降低了腐蚀速率[9]等。尽管现有方法取得了积极效果，但其非原位生长特性限制了涂层与基底之间的界面结合强度，可能导致涂层在使用过程中发生机械损伤，进而影响功能稳定性。因此，亟需新的表面改性策略来调控Zn基合金的降解过程、优化生物活性并确保涂层的良好附着力。
层状双氢氧化物（LDHs）作为一种可原位生长的二维（2D）无机纳米材料，在骨科植入物中得到广泛应用[10,11]。这类材料的通用化学式为[M2+ 1−x M3+ x (OH)2 (An−x/n )·mH2 O]，其中M2+ 和M3+ 分别代表二价（如Mg2+ ）和三价（如Al3+ ）金属阳离子，An− 表示层间阴离子（如CO3 2− 、OH− 或NO3 − ）。在降解方面，LDH可以增强Mg和Al等合金的耐腐蚀性[12,13]；在生物活性方面，LDH可分解为生物相容性离子，避免长期体内纳米颗粒积累带来的潜在生物安全问题[14]。此外，LDH的降解可释放生物活性离子，通过JNK和ERK信号通路促进成骨细胞增殖和分化[15]。基于这些特性，我们假设LDH涂层可能是一种有效的策略，既能调节Zn基合金的降解行为，又能改善其生物相容性和骨形成性能。
目前，原位生长方法因能够与基底形成牢固的化学键合而成为制备LDH涂层的有力手段[16,17]。例如，原位生长的LDH涂层在纯Mg基底上表现出优化的降解行为、更高的细胞存活率和更好的骨整合效果[18]。合成体系的pH值对LDH涂层的纳米结构有显著影响：在pH 8-12范围内，合金表面形成Zn-Al-LDH结构；而在pH<8时仅形成氢氧化铝；当pH>12时，氢氧化铝会溶解形成其他物质[19]。因此，精确控制pH值对于优化涂层的形态和性能至关重要，从而改善Zn基合金的降解行为和生物性能。
本研究采用低温原位水浴法在Zn基合金表面制备了LDH涂层，并重点优化了pH值。随后评估了LDH涂层的耐腐蚀性、生物相容性和骨再生能力，同时探讨了LDH涂层的形成和降解机制以及LDH涂层Zn基合金的骨形成机制（见图1）。
Zn-Mg合金上LDH涂层的原位合成
将Zn-0.8Mg合金（重量百分比）锭材（中国庆和县润德金属材料有限公司提供）切割成20 mm × 20 mm × 5 mm的样品用于体外测试，以及直径2 mm、长度6 mm的圆柱形样品用于体内植入。随后，所有样品使用SiC砂纸逐步打磨至2500目粗糙度。之后用无水乙醇进行超声清洗，并在实验前进行真空干燥。
不同pH值下制备的LDH涂层的表征
LDH涂层通过原位生长方法沉积在Zn-0.8Mg合金表面，详细合成过程见图1A，LDH涂层的表面形态见图1B。当pH值为10时，涂层生长不均匀，LDH层片大小变化较大，层片厚度较薄，表明在此条件下水滑石的成核和生长受到限制；当pH=11时，涂层均匀性得到改善。讨论
作为新兴的生物活性材料，锌及其合金在骨组织工程应用中具有巨大潜力[21,22]。虽然Zn2+ 的释放对成骨细胞活性有积极作用，但过量Zn2+ 会抑制成骨细胞活性，从而影响骨整合[23]。因此，优化Zn基植入物的降解行为以调控Zn2+ 的释放对于可降解骨科植入物至关重要。目前，已开发出多种方法来提升其性能...结论
本研究采用原位水浴法在Zn-0.8Mg合金上制备了功能化的LDH涂层，系统研究了LDH涂层的形成机制、降解行为、生物相容性和骨形成能力。研究表明，Mg2 Zn11 第二相作为LDH生长的优先成核位点；由于LDH涂层的良好形态和适宜的厚度，尤其是pH=11条件下的LDH涂层，有效抑制了...作者贡献声明
卢玉普： 实验研究、初稿撰写。
任文龙： 数据分析、初稿撰写。
李琦： 数据管理、审稿与编辑。
赵彦杰： 方法学设计。
曾荣昌： 撰写、审稿与编辑。
周永生： 撰写、审稿与编辑。
张芬： 概念构思、资金争取、项目监督、撰写、审稿与编辑。
郑玉峰： 项目监督、撰写、审稿与编辑。
夏丹丹： 项目监督、撰写、审稿与编辑。打赏
