本研究由 xinxiu cheng、yaxin zhu 等学者完成，主要通讯作者为 na li 和 xingjie zan。研究单位包括中国科学院大学温州研究院的瓯江实验室（oujiang laboratory）以及中国科学院新疆理化技术研究所。该论文于2022年发表在 journal of nanobiotechnology 上，文章标题为“material priority engineered metal‑polyphenol networks: mechanism and platform for multifunctionalities”。
该研究属于材料表面工程与生物医用材料交叉领域。金属-多酚网络（metal-polyphenol networks, mpns）是一类由金属离子与多酚配体通过动态配位作用形成的功能性涂层材料。已有大量研究集中于以酚酸类多酚——尤其是单宁酸（tannic acid, ta）——为配体构建 mpn 涂层，但其形成机制尚未被完全阐明，且针对类黄酮类多酚的 mpn 研究非常有限。原花青素（procyanidin, pc）是一种具有 c6-c3-c6 骨架的类黄酮多酚，广泛存在于植物种子、果实、树皮等部位，具有良好的抗氧化、抗菌、促进骨生成以及调节血小板活性等生物功能。该研究旨在探索 pc 与 fe³⁺ 构建 mpn 涂层的可行性，系统考察组装参数对涂层形成的影响，并进一步赋予 pc-mpn 涂层多重功能，以期为组织工程和植入体表面改性提供新的平台。
研究首先考察了影响 pc-mpn 涂层形成的关键因素，包括 ph 值、pc 与 fe³⁺ 的摩尔比以及物料加入顺序（即物料优先性）。在制备过程中，作者设计了两种涂层路线：路线 i（pc 优先，即先加入 pc 溶液再加入 fe³⁺）和路线 ii（fe³⁺ 优先，即先加入 fe³⁺ 溶液再加入 pc 溶液），分别命名为 pc-mpni 和 pc-mpnii。在 ph 6.5 条件下，随着 pc:fe³⁺ 摩尔比从 1:2 逐渐升高到 1:10，pc-mpni 涂层厚度持续增加，但继续增加 fe³⁺ 浓度后厚度趋于平台。在固定摩尔比 1:10 时，随着 ph 从 6 升高到 8，涂层厚度下降，说明较高 ph 削弱了 pc 与基底之间的相互作用。进一步比较两种涂层路线发现，pc-mpni 涂层呈现快速线性增长，7 个沉积循环后厚度约为 31 nm，平均每个循环约 4–5 nm；而 pc-mpnii 涂层增长非常缓慢，7 个循环后厚度不足 6 nm，每个循环厚度增加小于 1 nm。在相同循环数下，pc-mpni 涂层的厚度约为 pc-mpnii 的 5 倍。在聚丙烯（polypropylene, pp）片上的宏观颜色变化和水接触角（water contact angle, wca）测试也证实了路线 i 具有更高的涂层效率。pc-mpni 涂层在不到 10 个沉积循环内 wca 即降低至约 18°，而 pc-mpnii 在 20 个循环后仍约为 54°。
为阐明两种路线效率差异的机制，作者利用紫外-可见光谱（uv–vis）、x 射线光电子能谱（xps）和石英晶体微天平（quartz crystal microbalance with dissipation, qcm-d）等多种手段进行了表征。uv–vis 结果显示，pc-mpni 涂层在每一个沉积步骤中均表现为持续的吸光度增加，而 pc-mpnii 涂层在加入 fe³⁺ 的步骤中出现吸光度下降，随后在加入 pc 的步骤中再次上升，整体呈现锯齿状增长模式。这一现象表明，fe³⁺ 的加入会导致已沉积的 pc-mpn 涂层发生部分分解。为验证分解机制，作者将厚度约 14 nm 的 pc-mpni 涂层分别浸入 ph 2.6 的 fe(no₃)₃ 溶液和稀盐酸中。结果发现，fe(no₃)₃ 溶液导致的厚度下降和吸光度下降均显著大于稀盐酸，分解速率约为后者的 2.2–2.4 倍。这说明除了酸性环境外，过量的 fe³⁺ 也会通过竞争配位作用破坏已形成的 pc-mpn 涂层。qcm-d 实验进一步实时监测了涂层在 fe(no₃)₃、稀盐酸和 pc 溶液中的质量变化，证实了 fe³⁺ 和酸性环境均可导致涂层分解，而 pc 溶液则促使涂层继续沉积。
xps 结果表明，pc-mpni 和 pc-mpnii 涂层在化学组成上较为相似，均含有 c、o 和 fe 元素，并且 fe 主要以 fe³⁺ 形式存在。两种涂层中 fe 与 pc 的摩尔比分别为 0.98 和 1.15。对 o 1s 谱进行分峰拟合后发现，涂层中存在 fe–o 配位键、o–c 共价键和 fe–oh 氢键三种氧化学态。pc-mpnii 涂层中配位键比例（53%）高于 pc-mpni 涂层（42%），而 o–c 键比例（26%）低于 pc-mpni 涂层（34%），说明 fe³⁺ 优先路线形成的涂层中含有更少的 pc 和更多的配位交联结构。稳定性测试显示，在 fe(no₃)₃ 溶液中浸泡 30 min 后，pc-mpni 涂层保留了 98% 以上的厚度，而 pc-mpnii 涂层仅保留约 75%。原子力显微镜（afm）观察表明，两种涂层初始均为均匀的颗粒状表面，但 pc-mpnii 涂层在浸泡后颗粒高度和表面粗糙度明显下降，而 pc-mpni 涂层形貌几乎不变。这些结果说明，pc-mpni 涂层不仅沉积效率更高，而且在抵抗 fe³⁺ 侵蚀方面也更稳定。
在功能评价部分，作者聚焦于 pc-mpni 涂层的抗氧化、促细胞黏附与增殖以及抗菌能力。抗氧化实验采用铁离子还原抗氧化能力（ferric reducing antioxidant power, frap）法。结果显示，pc-mpn 涂层的抗氧化活性与阳性对照 trolox 相当，显著高于玻璃对照。重要的是，涂层在储存 5 周后仍保持稳定抗氧化活性，而 trolox 的活性随时间显著下降，这对于未来临床应用具有重要价值。
在细胞实验中，以 mc3t3-e1 成骨前体细胞为模型。早期黏附实验显示，在接种后 2 h 和 4 h，pc-mpn 涂层上的细胞表现出更明显的铺展形态，而玻璃表面上的细胞在 2 h 时仍呈圆形，4 h 时才略有铺展。定量统计表明，pc-mpn 涂层上的细胞数量和单位面积细胞面积均显著高于玻璃对照，细胞数量约为后者的 1.3 倍，细胞面积在 2 h 和 4 h 时分别为玻璃组的 1.78 倍和 1.44 倍。长期增殖实验采用 cck-8 法，在培养 1、3 和 7 天后检测细胞活力。结果显示，pc-mpn 涂层上的细胞增殖速率始终高于玻璃对照，第 7 天时细胞活力约为玻璃组的 1.7 倍。荧光染色和细胞核计数进一步验证了这一结果。
抗氧化细胞响应实验中，使用 10 mm h₂o₂ 模拟氧化应激环境。经过 h₂o₂ 处理 20 min 后，玻璃表面上的细胞出现明显收缩，超过 89% 的黏附细胞丢失；而 pc-mpn 涂层上的细胞保留了 80% 以上的黏附，细胞面积仅减少约 10%，显著低于玻璃组的 93% 的下降幅度。这说明 pc-mpn 涂层能够有效保护细胞抵抗氧化应激损伤。
抗菌实验选择了金黄色葡萄球菌（s. aureus）和大肠杆菌（e. coli）分别代表革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌。扫描电镜（sem）结果显示，在对照组硅片表面，细菌形态完整、表面光滑；而在 pc-mpn 涂层表面，细菌出现明显变形、膜融合和结构塌陷。通过利用涂层中残余酚羟基的还原性，作者进一步在 pc-mpn 涂层上原位还原银离子生成银纳米颗粒，形成 pc-mpn-ag 复合涂层。该复合涂层对两种细菌均表现出更强的杀菌能力。活/死细菌荧光染色结果也显示，pc-mpn 涂层上死菌比例显著增加，pc-mpn-ag 涂层上活菌比例进一步下降，证明该复合涂层具有广谱且高效的抗菌活性。
该研究首次系统报道了基于类黄酮多酚原花青素与 fe³⁺ 构建的 mpn 涂层体系，揭示了物料优先性对涂层形成效率、化学结构和稳定性的重要影响。研究发现，pc 优先路线（pc-mpni）比 fe³⁺ 优先路线（pc-mpnii）具有更高的沉积效率和更好的抗侵蚀稳定性，其机制在于 fe³⁺ 优先加入会通过酸性环境和过量金属离子竞争配位导致涂层分解，而 pc 优先则能够持续促进涂层生长。该研究还成功构建了具有抗氧化、促细胞黏附与增殖以及抗菌多重功能的 pc-mpn 涂层，并展示了其作为银离子还原平台形成更强抗菌能力的潜力。这一工作不仅拓宽了 mpn 体系的配体种类，也为理解 mpn 形成机制提供了新的实验依据，对发展用于植入体、药物递送、组织工程等领域的多功能纳米涂层具有重要指导意义。