氧化锆调控Na-K-Ca-Si-O生物活性玻璃陶瓷的体外溶解行为与抗菌性能研究

本研究针对硅酸盐生物活性玻璃机械强度低、降解过快的问题，通过熔融淬火法合成ZrO2掺杂（0-10 mol%）的Na-K-Ca-Si-O基玻璃陶瓷，发现2.5 mol% ZrO2可显著降低溶解速率（质量损失从>10%降至近0%），并证实所有组分均保留羟基磷灰石形成能力及对E. coli和MRSA的抗菌活性，为骨再生感染控制提供新材料设计策略。

　　

在生物医学材料领域，开发能够与人体组织相互作用并促进骨骼、牙齿再生的材料一直是研究热点。传统的硅酸盐生物活性玻璃，如著名的45S5生物玻璃，虽然具有良好的生物相容性和成骨活性，但其机械强度较低、脆性高且降解速率过快，限制了其在承重植入物中的应用。此外，快速降解可能导致离子释放失控，影响生物环境的稳定性。因此，如何平衡生物活性与结构稳定性成为关键科学问题。

近期发表于《Journal of Alloys and Compounds》的一项研究通过引入氧化锆（ZrO₂）作为成核剂，成功合成了一系列Na-K-Ca-Si-O基生物活性玻璃陶瓷，系统探讨了ZrO₂掺杂对材料结构、溶解行为、矿化能力及抗菌性能的影响。该研究由波兰格但斯克理工大学的Zuzanna Milewczyk等人完成，为设计兼具可控降解和抗菌功能的新型骨修复材料提供了重要依据。

研究人员采用熔融淬火法合成五种不同ZrO₂含量（0、2.5、5、7.5和10 mol%）的玻璃陶瓷样品，并通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和差示扫描量热法（DSC）进行了结构表征与热分析。体外溶解实验在磷酸盐缓冲液（PBS）和去离子水（DI）中进行，短期（24小时）和长期（2、5、11天）监测pH变化、质量损失及表面矿化情况。抗菌活性通过最小抑菌浓度（MIC）法针对大肠杆菌（E. coli K-12）和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）进行评估。

结构分析表明，ZrO₂的加入显著促进了结晶相的形成，如CaZrO₃，使结晶度从未掺杂样品的54%提高至约70%。ZrO₂还改变了硅酸盐网络结构，含锆玻璃陶瓷中Q³单元比例更高。热分析显示，玻璃转变温度（T_g）随ZrO₂添加呈现非单调性变化，归因于锆在网络中兼具修饰剂和形成剂的双重角色。

体外溶解结果显示，2.5 mol% ZrO₂的添加使浸泡1天后的质量损失从超过10%降至近乎0%，但更高锆含量（如10 mol%）反而导致质量损失增加至15%。所有样品在PBS中浸泡后均能形成类羟基磷灰石（HAp）钙磷层，Ca/P比介于1.6–2.0之间，证实其保留生物活性。抗菌实验表明，Zr掺杂玻璃的溶解产物对E. coli和MRSA均具有抑制效果，且在PBS中的 supernatant（上清液）活性更强，说明离子介导机制和培养基组成对抗菌性有重要影响。

研究结论强调，ZrO₂的引入有效调控了玻璃陶瓷的降解行为，同时维持了其矿化能力和抗菌性能。2.5 mol% ZrO₂的样品表现出最优的溶解抑制效果，而更高锆含量则可能因结晶相变化和离子释放动力学改变导致反效果。该材料体系在骨组织工程和感染控制领域展现出应用潜力，尤其适用于需长期稳定性和抗菌功能的骨科与牙科植入物。

值得注意的是，铝杂质（来自氧化铝坩埚）的掺入虽不可避免，但可能影响网络结构和溶解行为，未来需进一步优化合成工艺。此外，ZrO₂在低浓度和高浓度下的相反作用揭示了其复杂的结构角色，需结合分子模拟深入阐释。总体而言，该研究通过多尺度表征与性能验证，为新型生物活性玻璃陶瓷的设计提供了理论与实践基础。