起皱的涂层可以防止医疗植入物失效

当医疗植入物涂有密歇根大学研究人员设计的微观皱纹陶瓷材料时，失败的可能性会减少。发表在ACSAppliedMaterialsandInterfaces上的一篇论文描述了该涂层。

这种材料非常微小的皱纹尺寸非常适合年轻骨细胞和免疫细胞的附着。由于人类细胞对涂层的附着力更强，因此可以牢固地粘附在植入物上并沿着其表面伸展。拉伸的骨细胞发育得更快，拉伸的免疫细胞往往有助于愈合组织和减少炎症，而不是像外来入侵者一样攻击植入物，因此研究人员认为它们的涂层可以使医疗植入物更加成功。

“当医疗植入物不能与身体很好地融合时，就会失败，要么是因为免疫细胞试图排斥植入物，要么是植入物周围的组织愈合不充分，”化学工程助理教授、该书的通讯作者JouhaMin说。研究。

“大多数研究一次只关注一个问题，但涂层可以解决这两个问题，并帮助患者更快地恢复正常生活，”敏补充道。

当医疗植入物周围的组织无法正常愈合时，植入物可能会松动并失去某些功能，这通常需要进行矫正手术。根据美国骨科医师学会2023年的报告，这种称为无菌性松动的问题约占所有髋关节翻修手术的20%和所有膝关节翻修手术的25%。另外22%的髋关节翻修和约33%的膝关节翻修是由炎症问题引起的。

2012年至2022年间，进行了310万例髋关节和膝关节置换手术，其中近236,000例需要进行矫正手术。随着每年髋关节和膝关节置换手术数量的增加，许多人将受益于与身体更好融合的植入物。

根据这项新研究，褶皱涂层有助于成功植入，但前提是涂层中凹槽的尺寸可以精确控制。当涂层中的凹槽宽度约为2微米时，人体细胞开始拉伸并形成手指状附属物以粘附在凹槽上，这些附属物比骨细胞小10倍以上。

当细胞在周围环境中摸索时，它们还会打开基因开关，刺激发育成成熟的骨细胞或减少炎症的免疫细胞。当涂层凹槽的宽度小于一微米时，细胞就不会拉伸。结果，骨细胞发育更慢，免疫细胞被触发对抗异物并引起炎症。

“通过从纳米尺度到微米尺度，我们可以引导组织细胞有利于成功植入，”化学工程博士生、该研究的第一作者穆罕默德·阿萨迪·托克梅达什(MohammadAsadiTokmedash)说。

研究人员的新涂层制造方法使他们能够控制凹槽的尺寸。他们首先将陶瓷材料逐层添加到聚苯乙烯片上。

一旦陶瓷足够厚，研究人员就会加热聚苯乙烯片，使其收缩。附着的陶瓷会随着聚苯乙烯收缩，但也会破裂和变形，因为它的柔韧性不如聚苯乙烯。由此产生的裂缝和弯曲成为细胞卡住的凹槽，凹槽的尺寸由加热前添加到聚苯乙烯片顶部的陶瓷层的厚度控制。

从涂层中省略较小的纳米级凹槽有一个缺点——它们可以通过形成粗糙的尖刺表面来破坏细菌细胞膜，从而更好地防止病原菌粘附在涂层上。更大的微型凹槽可能是人类细胞附着的理想选择，但它们也为细菌隐藏和在涂层上生长提供了充足的空间。

由于感染是植入失败的另一个主要原因，该团队目前正在研究一种方法，使其涂层能够杀死细菌，同时为人体细胞附着提供安全的手柄。未来的实验将检验他们的想法。这些涂层在密歇根材料表征中心进行了研究。