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ZrOナノフィルムでコーティングされたZn-Li合金の制御可能な生分解と強化されたオッセオインテグレーション。インビトロおよびインビボでの研究
Controllable biodegradation and enhanced osseointegration of ZrO-nanofilm coated Zn-Li alloy: In vitro and in vivo studies.
PMID: 31972366 DOI: 10.1016/j.actbio.2020.01.022.
抄録
亜鉛とその合金は、人間の体内での亜鉛イオンの重要な生理的機能のために、生分解性金属（BM）の新しい研究の方向性として浮上してきた。しかし、in vitro試験ではZnイオンによる細胞毒性を引き起こす阻害濃度の閾値が低く、in vivoではオッセオインテグレーションが遅れていることが、バルクZnベースのBMの2つの重要な欠陥となっています。これらの問題に対処するために、我々は原子層堆積法（ALD）を用いてZn-0.1(wt.%) Li合金の表面にZrOナノフィルムのバリア層を構築した。コーティング組成物とZn-0.1Li合金基板との間のガルバニックカップリングのために、Liイオンの放出の加速を伴うZnイオンの放出の減少が観察された。細胞親和性アッセイは、ZrOナノフィルムでコーティングされたZn-0.1Li合金が改善された細胞接着性と生存性を示したことを反映しています。組織学的分析はまた、ZrOナノフィルムコーティングZn-0.1Li合金のためのより良いin vivoのオッセオインテグレーションを実証した。以上のことから、本研究では、ZrOナノフィルムをZn基BMにコーティングすることで、オッセオインテグレーションを効果的に促進し、その生分解挙動を制御できることが明らかになった。意義の意義：近年、Zn-Li 二元合金は、500MPa 以上の究極の引張強度を持つ有望な生分解性金属であることが報告されているが、Zn イオンによる細胞毒性を引き起こす阻害濃度の閾値が低いことが克服すべき障害となっている。本研究では、パイロット研究として、原子層堆積法(ALD)により作製したZrOナノ薄膜被覆Zn-Li合金について、その形成過程、in vitro及びin vivoでの劣化挙動、生体適合性の評価を含めた系統的な検討を行った。その結果、Zn-Li合金上にZrOナノ薄膜をコーティングすることで、制御可能な腐食速度と生体内でのオッセオインテグレーションが達成できることを発見し、骨内で使用するための生分解性Zn合金の表面改質に関する新たな知見を提供した。
Zinc and its alloys have emerged as a new research direction of biodegradable metals (BMs) due to the significant physiological functions of Zn ions in human body. However, low inhibitory concentration threshold value to cause cytotoxicity by Zn ions during in vitro study and delayed osseointegration in vivo are two key flaws for the bulk Zn-based BMs. To combat these issues, we constructed a barrier layer of ZrO nanofilm on the surface of Zn-0.1(wt.%) Li alloy via atomic layer deposition (ALD). A decreased release of Zn ions accompanied with accelerated release of Li ions was observed on account of galvanic coupling between the coating compositions and Zn-0.1Li alloy substrate. Cytocompatibility assay reflected that ZrO nanofilm coated Zn-0.1Li alloy exhibited improved cell adhesion and viability. Histological analysis also demonstrated better in vivo osseointegration for the ZrO nanofilm coated Zn-0.1Li alloy. Hence, the present study elucidated that the ALD of ZrO nanofilm on Zn-based BMs can effectively promote osseointegration and control their biodegradation behavior. STATEMENT OF SIGNIFICANCE: Zn-Li binary alloy was reported recently to be the promising biodegradable metals with ultimate tensile strength over 500 MPa, yet the low inhibitory concentration threshold value to cause cytotoxicity by Zn ions is the obstacle needed to be overcome. As a pilot study, a systematic investigation on the ZrO nanofilm coated Zn-Li alloy, prepared by atomic layer deposition (ALD) technique, was conducted in the present study, which involved in the formation process, in vitro and in vivo degradation behavior as well as biocompatibility evaluation. We found a controllable corrosion rate and better in vivo osseointegration can be achieved by ZrO nanofilm coating on Zn-Li alloy, which provides new insight into the surface modification on biodegradable Zn alloys for usage within bone.
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