本研究由Arash Ghalandarzadeh（伊朗科技大学冶金与材料工程学院）、Monireh Ganjali（伊朗材料与能源研究中心纳米技术与先进材料部生物材料组）和Milad Hosseini（伊朗Sahand科技大学材料工程学院先进材料研究中心）共同完成，成果发表于2023年5月的期刊《Surf. Topogr.: Metrol. Prop.》（第11卷，025007号）。
学术背景
该研究属于生物材料与表面工程交叉领域，聚焦于牙科植入物用氧化锆（zirconia）陶瓷的表面改性。3mol%氧化钇稳定氧化锆（3YSZ）因其优异的机械性能、化学惰性和生物相容性被广泛应用于牙科种植体，但其生物惰性表面易导致骨整合（osseointegration）不足和细菌附着问题。现有研究表明，激光表面织构化（laser surface texturing）可通过调控表面形貌改善材料性能，但针对氧化锆陶瓷的系统研究仍存在空白。本研究旨在通过二氧化碳（CO₂）激光在3YSZ表面构建微沟槽（micro-grooves）和微通道（micro-channels）两种微结构，探究其对表面疏水性（hydrophobicity）、抗菌行为（antibacterial behavior）及细胞响应（cellular response）的影响。
研究方法与流程
1. 材料制备
- 样本制备：采用等静压技术（isostatic pressing）在200 MPa压力下制备72个直径20 mm、高11 mm的3YSZ圆盘，烧结后尺寸缩减至直径18 mm、高9 mm。通过X射线衍射（XRD）和能谱分析（EDS）确认材料成分为94.5 wt% ZrO₂和5.2±0.5 wt% Y₂O₃（表1）。
- 表面预处理：样本经机械抛光2小时，异丙醇和蒸馏水超声清洗15分钟，37°C高压灭菌2小时。
2. 激光表面织构化
- 设备与参数：采用CO₂激光系统（波长10.6 μm，光斑尺寸1.5 mm，最大功率75 W），设置扫描速度125 mm/s，线间距0.1 mm，在15×15 mm²区域内制备微沟槽（MG20125）和微通道（MCH20125）两种图案（表3）。
- 质量控制：通过辅助气流避免熔渣沉积，确保织构精度（图1）。SEM显示织构深度为20–30 μm，无热裂纹或熔化痕迹（图4）。
3. 表面表征
- 形貌分析：SEM显示非织构表面存在随机划痕，而织构表面形成规则排列的微纳结构（图4）。原子力显微镜（AFM）测得非织构表面平均粗糙度（Ra）为15.15±0.44 nm，织构表面Ra增至33.52–112.3 nm（图5）。
- 润湿性测试：通过接触角测量（sessile drop法）发现，非织构表面亲水（接触角76.2°±2.17），而织构表面转为疏水（>90°），其中微通道样品疏水性更显著（图6）。
4. 生物学性能评估
- 抗菌实验：以金黄色葡萄球菌（S. aureus）为模型菌株，24小时培养后计数菌落。结果显示，非织构表面抗菌率仅8%，而微沟槽和微通道分别达57.78%和61.35%（图7-8）。疏水性与抗菌性能呈正相关。
- 细胞实验：采用小鼠前成骨细胞MC3T3-E1，培养7天。SEM显示织构表面细胞覆盖率（>80%）显著高于非织构表面（20–30%），且细胞沿织构方向伸长（图9）。MTT法证实织构表面细胞活性和增殖率提高21%（图10）。
主要结果
- 相结构与化学稳定性：XRD证实激光处理未引发单斜相（monoclinic phase）转变，保持四方相（tetragonal phase）主导（图3）。EDS显示元素组成无变化（表4）。
- 表面形貌调控：激光织构成功构建了规则微纳结构，粗糙度提升3–7倍，符合Wenzel模型（表面粗糙度增强固有润湿性）。
- 抗菌机制：疏水表面通过气隙阻隔（air-trapping effect）减少细菌附着，验证了“疏水表面抑制亲水性细菌”的假设。
- 细胞响应：微沟槽引导细胞定向排列，微通道促进伪足（filopodia）形成，表明拓扑结构可调控细胞分化。
结论与价值
本研究通过CO₂激光织构化实现了3YSZ陶瓷表面性能的协同优化： - 科学价值：揭示了表面拓扑结构-润湿性-生物性能的关联机制，为生物材料界面设计提供理论依据。 - 应用价值：开发的微沟槽/通道织构可提升牙科植入物的抗菌性和骨整合能力，临床转化潜力显著。 - 创新点：首次系统比较两种微织构对氧化锆陶瓷的多功能改性效果；提出“疏水抗菌-拓扑促细胞”的双功能协同策略。
研究亮点
- 方法创新：采用低成本CO₂激光实现高精度织构，避免传统飞秒激光的设备依赖。
- 跨学科验证：结合材料表征（XRD/SEM/AFM）、微生物学（抗菌率量化）和细胞生物学（形态/增殖分析）多维度评价。
- 局限性：未考察长期机械性能及口腔生物膜（oral biofilm）对疏水性的影响，建议后续研究纳入唾液蛋白吸附实验。