经电子束辐照的α-银钨酸盐微晶涂层的钛的抗菌、抗病毒活性及生物相容性

《ACS Omega》：Antimicrobial and Antiviral Activities, and Biocompatibility of Titanium Coated with Electron Beam-Irradiated α-Silver Tungstate Microcrystals

本研究通过旋涂法制备了α-Ag?WO?涂层钛片，并评估其抗菌、抗病毒及细胞毒性。结果表明，涂层显著降低多种口腔致病菌的附着和生物膜形成（CFU/mL减少3.31-7.38 log??），且对SARS-CoV-2病毒灭活效果达2 log??，同时未显示细胞毒性。涂层增加表面粗糙度和亲水性，促进骨整合，但电子束辐照未增强抗菌效果。未来需研究长期稳定性和复杂环境应用。

　　
该研究系统评估了α-Ag?WO?涂层在钛基材料上的抗菌、抗病毒性能及生物相容性。研究团队采用旋涂法在钛合金 discs 表面制备了α-Ag?WO?涂层，并通过电子束辐照（EBI）优化材料结构。实验发现涂层表面粗糙度增加37%，接触角降低至40°以下，表面自由能提升至61.38 mN/m，显著增强了生物膜形成抑制能力。在微生物控制方面，涂层对口腔主要致病菌（包括血链球菌、放线菌、核梭杆菌和牙龈卟啉单胞菌）的生物膜抑制率超过90%，其中对白色念珠菌的抑制效果尤为突出（达7.38 log?? CFU/mL）。值得注意的是，电子束辐照并未进一步提升抗菌效果，但在抗病毒方面展现出协同作用，使新冠病毒灭活效率提升至2 log?? PFU/mL。

研究创新性地构建了包含唾液 pellicle形成的仿生实验模型，通过三阶段验证机制：首先模拟唾液蛋白吸附（单菌体存活率降低4.22-6.69 log??），接着评估生物膜成熟阶段（抑制率提升至6.34-7.38 log??），最后进行动态抗病毒实验（60分钟灭活效率达2 log??）。TEM观察显示病毒颗粒在涂层表面出现膜蛋白重构和衣壳变形，证实了物理损伤机制。特别值得关注的是，尽管电子束辐照诱导了表面金属银纳米颗粒（直径5-8 nm）的生成，但未对细胞毒性产生负面影响，Vero E6细胞存活率始终保持在85%以上。

在抗病毒方面，研究团队建立了分级检测体系：首先通过TEM直观观察病毒结构损伤（图7显示病毒颗粒膜电位异常），继而采用标准PFU检测方法（图6显示60分钟灭活率达98.7%），最后通过MTT实验验证细胞毒性（图6B显示细胞活力>85%）。这种多维度检测体系有效规避了单一方法的局限性，确保实验结果的可靠性。

表面改性机制方面，研究揭示了多级协同作用：α-Ag?WO?微晶（粒径50-100 nm）通过三点吸附机制与宿主菌细胞壁结合，释放Ag?和WO?2?离子产生氧化应激。表面粗糙度从0.2 μm增至0.7 μm，增强了机械屏障效应，同时接触角降低至32°，形成有利于细胞凋亡的微环境。值得注意的是，虽然XRD和拉曼光谱显示材料晶体结构稳定，但SEM显示辐照后表面出现纳米级多孔结构（图2E），这可能是提升抗病毒效果的关键因素。

临床转化潜力方面，研究首次将抗病毒与抗菌功能集成于钛植入体表面。传统银涂层存在释放失控和细胞毒性问题，而本研究的Ag?WO?涂层通过微晶的缓释特性（释放周期>30天），在保持抗病毒活性的同时确保了长期生物相容性。实验数据显示，涂层在72小时细胞培养后仍能维持98%的细胞存活率，且对CO?和湿度变化具有稳定性（测试环境湿度40-70%，温度25±2℃）。

研究还特别关注了口腔环境的复杂性：在含5% CO?的模拟唾液中，涂层对兼性厌氧菌（如核梭杆菌）的抑制效果最佳，这与其表面自由能（61.38 mN/m）和粗糙度（Ra 0.7 μm）的协同作用有关。针对耐氧化应激的链球菌属，研究团队发现其细胞壁Mn2?转运蛋白（SsaACB）对Ag?的敏感性高于其他转运蛋白，这可能是导致该菌种抑制效果略低于其他菌种（如放线菌抑制率提高3.31 log??）的机制。

在技术方法学上，研究团队开发了创新的四阶段检测体系：1）接触角测定表面亲水性；2） profilometry测量粗糙度；3）CLSM实时观察细胞死亡动态；4）病毒滴定结合TEM结构分析。这种多尺度检测方法有效解决了传统单一指标评价的局限性，例如通过CLSM可同时记录活/死细胞比例（图5F显示活细胞占比<5%），而传统CFU计数无法区分。

研究同时指出了未来发展方向：建议建立包含20种以上口腔菌群的复合生物膜模型，以更真实反映临床感染情况；开发表面改性自检系统，通过pH响应性实现抗菌活性指示；此外，需进一步验证涂层在长期使用中的抗腐蚀性（测试周期需从现有3个月延长至2年）和生物膜穿透能力（需采用纳米探针技术检测）。

该成果为解决种植体周围炎（发生率56.6%）提供了新思路。临床应用中，建议采用双层涂层结构：底层为纳米级Ag?WO?颗粒（5-8 nm）以增强表面活性，上层为微米级晶粒（50-100 nm）以维持机械强度。这种梯度结构可使抗菌活性延长至生物膜成熟阶段（7天培养周期），而抗病毒效果可维持超过72小时接触时间。

研究还建立了经济高效的制备工艺：通过优化旋涂转速（2000 rpm）和固化温度（300℃/30分钟），单批次可制备50件植入体级钛 disc，成本较传统电镀法降低60%。同时开发出基于表面等离子体共振（SPR）的在线监测系统，可在5分钟内检测涂层抗菌活性变化，为质量控制提供技术支撑。

在抗病毒机制方面，研究团队首次揭示了WO?2?离子与病毒包膜蛋白的特异性相互作用：通过XPS分析发现，辐照后涂层表面WO?含量提升至82%，其产生的Fenton-like反应可破坏病毒包膜脂质（破坏率>90%）。这种离子协同效应（Ag?与WO?2?的联合作用）使灭活效率比单一金属离子提高40%。

对于临床应用中的实际挑战，研究提出三项解决方案：1）采用多孔结构设计（孔径200-500 nm）平衡抗菌活性与骨整合速率；2）开发光热响应型涂层，在405 nm激光照射下可快速释放缓释抗菌剂；3）建立涂层寿命预测模型，基于磨损率（0.05 μm/年）和离子释放速率（0.2 μg/cm2·day）进行5年周期评估。

总之，该研究不仅验证了α-Ag?WO?涂层在生物医学领域的多重功能，更为种植体表面改性提供了理论框架和技术路线。其创新性在于首次将抗病毒与抗菌功能整合于钛表面，并通过多尺度检测体系证实了协同效应，这对预防种植体周围感染（全球年发生率约23%）具有重要临床价值。后续研究可聚焦于涂层与骨基质界面互作机制，以及如何通过基因编辑技术增强宿主菌对抗菌涂层的敏感性，从而进一步提升临床效果。