本研究由Gerriet-Maximilian Goldschmidt（德国亚琛工业大学陶瓷与耐火材料系）、Małgorzata Krok-Borkowicz（波兰AGH科技大学材料科学与陶瓷学院生物材料与复合材料系）等学者共同完成，发表于2021年《Dental Materials》第37卷10-18页。研究聚焦于通过仿生沉积技术开发兼具抗菌性和骨整合功能的多功能氧化锆陶瓷种植体表面涂层。
学术背景
氧化锆（zirconia）因其优异的机械性能、生物相容性和美学特性被广泛应用于牙科种植体。但其生物惰性（bioinertness）导致与周围骨组织的化学结合能力不足，且缺乏抗菌性能。临床中，种植体周围感染和骨整合失败是导致植入手术失败的两大主因。为此，研究团队提出通过仿生原位沉积法（biomimetic in situ precipitation）在氧化锆表面构建含银纳米颗粒（silver nanoparticles, Ag-NPs）的磷酸钙（calcium phosphate, CaP）复合涂层，以期同时赋予材料抗菌性和促骨整合能力。
研究流程与方法
1. 基底制备与预处理
- 样本制备：采用3Y-TZP氧化锆颗粒通过单轴压制（15 kN）制成直径12 mm、高3 mm的圆盘，经1450℃烧结2小时。
- 表面处理：使用50 μm玻璃珠喷砂5分钟以增加表面粗糙度，随后依次用丙酮和超纯水超声清洗。
2. 仿生涂层沉积
- 模拟体液（SBF）配置：根据Tanahashi方法配制2倍浓度SBF（2x SBF），离子组成与人体血浆相近（表1）。
- Ag-NPs掺杂：将40-60 nm的Ag-NPs以0.1、0.5、3.0 g/L三种浓度分散于SBF中，超声处理10分钟。
- 两步沉积法：
- 预涂层：样本在40℃的2x SBF中浸泡3天，形成初始CaP层。
- 复合涂层：更换为含Ag-NPs的SBF溶液，继续浸泡3天。实验设计区分水平/垂直放置样本以研究Ag-NPs沉降影响（图1）。
3. 涂层表征
- 形貌与成分分析：
- SEM：观察涂层形貌及Ag-NPs分布，发现水平放置样本中Ag含量更高（0.3-26.6 at.%），垂直样本仅0.05-0.4 at.%（表2）。
- XRD：确认CaP和Ag晶体相，高浓度Ag-NPs导致CaP峰强度降低（图2）。
- EDX：定量分析Ag、Ca、P元素分布，水平样本Ag含量与SBF浓度正相关（图5）。
4. 生物学评价
- 细胞相容性：
- 直接接触实验：MG63成骨细胞与涂层共培养，仅垂直放置且0.1 g/L Ag-NPs组显示细胞活性（AlamarBlue®检测>30%），其余组均表现毒性（图6-7）。
- 间接提取物实验：所有涂层提取物均无细胞毒性，表明Ag离子释放量在安全范围内（图8-9）。
- 抗菌性能：
- CFU实验：对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）测试显示，Ag-NPs浓度≥0.5 g/L时显著抑制S. aureus生长（表3），但E. coli因实验条件限制未检出。
主要结果与逻辑关系
- 涂层构建成功性：XRD和SEM证实CaP/Ag-NPs复合涂层的形成，且Ag含量可通过SBF浓度和样本朝向调控。
- 抗菌-细胞毒性平衡：水平放置样本虽抗菌性强（26.6 at.% Ag），但细胞毒性显著；垂直放置的0.1 g/L组（0.05 at.% Ag）兼具抗菌性和细胞相容性。
- 机制探讨：高浓度Ag-NPs导致AgCl立方相生成（图3红框），可能加剧毒性；而低浓度Ag通过离子缓释实现抗菌且安全。
结论与价值
本研究创新性地通过仿生沉积法实现氧化锆表面多功能化： - 科学价值：揭示了Ag-NPs在CaP涂层中的掺杂机制及其浓度-毒性-抗菌性三元关系，为”治疗窗口（therapeutic window）”概念提供实验依据。 - 应用价值：提出垂直沉积结合低浓度Ag-NPs（0.1 g/L）的优化工艺，为牙科种植体表面改性提供新思路。
研究亮点
- 方法创新：开发无需高温烧结的两步仿生沉积法，兼容后续生物分子加载。
- 多功能协同设计：首次在CaP涂层中同时整合Ag-NPs的抗菌性和CaP的骨传导性。
- 临床转化潜力：通过工艺调控（样本朝向/Ag浓度）实现性能可定制化。
其他发现
- 细菌黏附悖论：纯CaP涂层反而促进S. aureus生物膜形成（表3），凸显抗菌改性的必要性。
- AgCl副产物问题：高浓度Ag-NPs导致AgCl生成（图3），提示需优化Ag载体形式以规避毒性。