氧化锆基生物复合材料的抗菌性能与生物活性研究

第一作者及机构
本研究的通讯作者为波兰AGH克拉科夫大学的Magdalena Ziąbka，合作作者包括来自AGH克拉科夫大学材料科学与陶瓷学院、雅盖隆大学医学院微生物学系、细胞生物学系以及瑞典乌普萨拉大学等多家机构的科研人员。研究成果发表于2025年的《Artificial Cells, Nanomedicine, and Biotechnology》期刊（第53卷第1期，361-378页），DOI编号10.¹⁰⁸⁰⁄_21691401.2025.2540647。

学术背景
氧化锆（ZrO₂）因其优异的机械性能（如相变增韧）和生物相容性，被广泛用于骨科和牙科植入物（如髋关节假体、牙冠）。然而，其生物惰性限制了骨整合能力，而植入物相关感染（如金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌引发的骨髓炎）仍是临床重大挑战。本研究旨在通过将氧化锆与不同生物活性填料（羟基磷灰石HAP、六方氮化硼hBN、含铜生物玻璃BGCu等）复合，开发兼具抗菌性、生物活性和力学性能的新型材料，以解决植入物感染与骨整合的双重难题。

研究流程
1. 材料制备
- 粉末合成：
- 采用共沉淀法合成3 mol%钇稳定的ZrO₂纳米粉体（比表面积137 m²/g），以降低烧结温度（1150°C），避免HAP分解。
- 生物玻璃（BG）通过熔融法制备，铜掺杂BGCu在1450°C下熔融并退火。
- 复合材料设计：
- 比例优化：ZrO₂/HAP（60/40、80/20 wt%）、ZrO₂/BGCu（80/20 wt%）、ZrO₂/hBN（90/10 wt%），基于文献机械性能数据（如维氏硬度与抗压强度）。
- 成型与烧结：单向压制（200 MPa）成圆盘（直径20 mm），分别以1150°C（HAP复合）和1450°C（商业ZrO₂复合）烧结。

1. 生物学评价

   • 细胞实验：
     
     • 细胞系：人胎儿气管成纤维细胞（HS680）和骨肉瘤来源成骨细胞（SaOS-2），培养3天和7天。
       
     • 测试指标：
       
     • 细胞毒性：ToxiLight试剂检测膜完整性，ZrO₂/40HAP组毒性最高（17% vs. 对照组9%），BGCu组最低（4%）。
       
     • 增殖：ZrO₂/20BG组成纤维细胞增殖最佳（7天增长300%），而HAP组细胞密度显著降低。
       
     • 活性氧（ROS）：ZrO₂/40HAP组ROS/细胞水平最高，与钙离子释放导致的溶酶体损伤相关。
       
   • 抗菌实验：
     
     • 菌株：6种ATCC标准菌株（4种革兰阳性：金黄色葡萄球菌等；2种革兰阴性：大肠杆菌、铜绿假单胞菌）。
       
     • 方法：ASTM E2180-07标准改良法，通过超声-涡旋法回收生物膜，计算CFU/mL。
       
     • 结果：
       
     • BGCu组对革兰阳性/阴性菌均有效（铜离子破坏微生物膜），大肠杆菌抑制率达90%。
       
     • hBN组仅显示抑菌性（非杀菌），而纯HAP无抗菌性，但其复合材料因TCP降解释放钙离子产生毒性。
       

2. 形貌与机理分析

   • SEM观察：成骨细胞在ZrO₂/BG表面伸展良好，而HAP组细胞扁平且密度低，与钙离子累积导致的坏死一致。
     
   • 抗菌机制：BGCu中铜离子通过结合微生物蛋白的巯基/氨基诱导氧化应激；hBN通过物理抑制生物膜形成。
     

主要结果
- 生物活性：ZrO₂/HAP（20 wt%）促进磷灰石层形成，但40 wt%组因HAP分解（→TCP）导致高ROS和细胞毒性。
- 抗菌性：BGCu复合材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率显著（p<0.05），而hBN仅抑制生物膜生长。 - **力学平衡**：HAP含量>40 wt%时，ZrO₂相变（t→c）导致强度下降，而BGCu组保持高硬度（15 GPa）。

结论与价值
1. 科学意义：首次系统比较了HAP、hBN、BGCu改性ZrO₂的生物学性能，揭示了钙离子释放与细胞毒性的剂量关系，以及铜离子的双重作用（促氧化与抗菌）。
2. 应用前景：ZrO₂/BGCu（80/20）是最优候选材料，兼具抗菌（临床感染菌株）、低毒性（%）和骨整合潜力；ZrO₂/HAP（20%）适用于非感染性骨缺损修复。

研究亮点
- 创新方法：采用水热法合成ZrO₂纳米粉体，将HAP复合材料的烧结温度从1400°C降至1150°C，减少分解。
- 多学科交叉：结合材料学（相变调控）、微生物学（生物膜模型）和细胞生物学（ROS机制），为抗菌-成骨双功能材料设计提供范式。

其他发现
- 铜绿假单胞菌耐药性：因其生物膜形成能力，所有材料对其抗菌效果均不显著，提示未来需联合抗生素或其他纳米策略。
- hBN的争议性：虽本研究显示中等抑菌性，但文献报道其在高浓度（0.5 mg/mL）下对肺炎克雷伯菌有强效，表明菌株依赖性。

未来方向
需优化填料比例（如梯度BGCu涂层）以平衡离子释放速率与长期生物稳定性，并开展体内感染模型验证。