氧化锆种植体生物活性表面构建的创新方法：飞秒激光联合羟基磷灰石晶体的研究

第一作者及单位
本研究由中南大学湘雅口腔医院修复科的Chengxin Chen、Qi Cheng等学者主导，合作单位包括中南大学高性能复杂制造国家重点实验室、厦门大学医学院口腔医学系等。研究成果发表于《Advanced Materials Interfaces》期刊（2023年11月8日在线发表，DOI: 10.1002/admi.202300689）。

学术背景
氧化锆（zirconia）种植体因其优异的生物相容性和美学性能被视为钛种植体的潜在替代品，但其骨整合（osseointegration）率较低，主要归因于表面生物惰性。传统表面处理方法（如喷砂、酸蚀）存在污染、机械损伤等缺陷。飞秒激光（femtosecond laser）因其超高瞬时功率和微米级精度，成为新兴的表面改性技术。本研究提出将飞秒激光与羟基磷灰石（hydroxyapatite, HA）晶体结合，同步构建微沟槽结构和钙磷（calcium phosphate, CP）沉积层，以增强氧化锆表面的生物活性。

研究流程与方法
1. 样本制备
- 研究对象：36个钇稳定四方氧化锆圆盘（直径6 mm，厚度2 mm），通过CAD/CAM技术制备并烧结。
- 分组处理：分为三组——空白对照组（CL组，仅抛光）、飞秒激光组（FS组）、飞秒激光联合HA组（FHA组），每组12个样本。FHA组在激光处理前涂覆8 mg/mL的HA悬浮液。

1. 表面处理

   • 飞秒激光参数：脉冲宽度120 fs，波长800 nm，能量100 μJ，扫描速度300 μm/s。通过激光在氧化锆表面形成周期性微沟槽（宽度≈15 μm，深度≈6 μm）。
     
   • HA沉积：激光处理时，HA晶体在高温等离子体作用下分解为钙磷化合物（Ca/P=1.5），沉积于沟槽内。
     

2. 表面表征

   • 形貌与成分：SEM显示FHA组沟槽内均匀分布颗粒状CP沉积；EDS证实钙、磷元素富集。
     
   • 粗糙度与润湿性：激光处理显著增加表面粗糙度（FHA组Sa=1.01 μm，CL组Sa=0.09 μm），但接触角增大（FHA组99.01°），表明表面疏水性增强。
     
   • 化学基团分析：FTIR检测到PO₄³⁻特征峰（1032 cm⁻¹），但未发现OH⁻峰，提示HA脱水转化为CP。
     

3. 力学性能与晶体相分析

   • XRD：激光处理未引起氧化锆相变。
     
   • 抗弯强度：三组无显著差异（FHA组795.09 MPa），证明处理未损害材料力学性能。
     

4. 生物学评价

   • 细胞实验：大鼠骨髓间充质干细胞（BMSCs）培养显示，FHA组细胞沿沟槽定向排列，黏附数量显著高于CL组（SEM图像证实）。CCK-8检测表明，表面粗糙度和CP沉积协同促进细胞增殖。
     

主要结果与逻辑关联
1. 微沟槽与CP沉积的协同效应：飞秒激光精准构建的微沟槽引导细胞定向伸展，而CP沉积提供化学刺激，二者共同增强细胞响应。
2. 表面化学改性机制：激光高温使HA分解为CP，其成分类似骨矿物质，促进早期骨整合。
3. 安全性验证：XRD和力学测试证实处理未改变氧化锆本体性能，满足临床应用要求。

结论与价值
本研究创新性地提出飞秒激光联合HA的“一步法”表面改性策略，实现了氧化锆种植体表面形貌与化学组成的同步优化。其科学价值在于揭示了激光诱导CP沉积的机制，应用价值在于提供了一种高效、可控且无污染的种植体表面处理技术，为临床推广氧化锆种植体提供了实验基础。

研究亮点
1. 方法创新：首次将飞秒激光与HA晶体结合，同步构建微纳结构与生物活性涂层。
2. 多学科交叉：融合激光物理、材料化学与细胞生物学，系统性验证表面改性效果。
3. 临床潜力：处理过程无需有毒试剂，且兼容现有CAD/CAM种植体加工流程。

其他价值
研究团队进一步提出未来需优化微沟槽间距以提升细胞增殖效率，并探索CP沉积对成骨分化的分子机制，为后续研究指明方向。