银掺杂生物玻璃/壳聚糖涂层中颗粒形状对钛基体抗菌效能及生物活性的影响机制研究

针对钛植入体易感染和生物惰性问题，台湾研究团队通过St?ber法和溶胶-凝胶法制备球形/不规则银掺杂生物玻璃（AgBG），结合电泳沉积技术开发AgBG/壳聚糖复合涂层。研究发现球形AgBG颗粒均匀分散且表面暴露，在低银含量下即实现90.2%抗菌率（ASTM 5B级附着力），而溶胶-凝胶法制备的不规则颗粒易聚集且需高浓度才显效（ASTM 4B级）。该研究为设计兼具抗菌性、生物活性和机械稳定性的植入体涂层提供了新思路。

　　

钛及其合金因优异的机械性能和生物相容性被广泛应用于骨科植入物，但其表面易滋生细菌导致植入失败，且作为生物惰性材料难以与骨组织形成化学键合。虽然含银（Ag）涂层能有效抗菌，但高浓度银离子存在细胞毒性风险，而传统涂层又往往忽视生物活性需求。如何平衡抗菌性、生物相容性与骨整合能力，成为当前钛植入体表面改性的关键挑战。

台湾研究团队在《Progress in Organic Coatings》发表的研究中，创新性地将银掺杂生物玻璃（AgBG）与壳聚糖复合，通过调控AgBG颗粒形貌来解决这一难题。研究采用St?ber法（单分散硅球制备）和溶胶-凝胶法分别合成球形与不规则AgBG颗粒，利用电泳沉积技术（EPD）在碱处理的钛表面构建复合涂层，系统比较了颗粒形状对涂层性能的影响。

关键技术方法

1. 材料合成：通过St?ber法（碱性水解硅酸乙酯）制备球形AgBG，溶胶-凝胶法（低温水解）制备不规则多孔AgBG
2. 涂层工艺：电泳沉积（EPD）将AgBG/壳聚糖共沉积于碱处理钛基体
3. 性能表征：SEM观察颗粒分布，XRD分析物相，ASTM D3359测试附着力等级
4. 功能评价：抗菌实验（大肠杆菌），模拟体液浸泡评估生物活性（羟基磷灰石沉积）

研究结果

物理化学表征
扫描电镜显示St?ber法AgBG（St?-AgBG）为100-200 nm球形颗粒均匀分散，而溶胶-凝胶法AgBG（Sol-AgBG）呈不规则多孔结构且易团聚。X射线衍射证实两种AgBG均成功掺入银元素。

抗菌性能
含1 wt% St?-AgBG的涂层对大肠杆菌抑菌率达90.2%，而Sol-AgBG涂层需5 wt%浓度才达到同等效果。球形颗粒因更大比表面积和表面暴露量，显著提升银离子释放效率。

生物活性
St?-AgBG涂层在模拟体液中7天即诱导羟基磷灰石层形成，而Sol-AgBG涂层矿化速度较慢。球形颗粒的均匀分布促进了钙磷沉积的成核位点形成。

涂层附着力
ASTM划格测试显示St?-AgBG涂层达最高5B级（边缘光滑无剥落），Sol-AgBG涂层仅为4B级（边缘剥落<5%）。球形颗粒的分散性有效缓解了涂层内应力集中。

讨论与结论
该研究首次揭示AgBG颗粒几何形态通过三重机制影响涂层性能：① 球形颗粒的高比表面积增强银离子控释；② 均匀分布创造更多生物矿化位点；③ 降低界面应力提升机械稳定性。相比传统不规则颗粒，St?ber法合成的球形AgBG在低银负载下即可实现"抗菌-成骨"双功能协同，其ASTM 5B级附着力更满足植入体长期服役需求。

这项研究为钛植入体表面改性提供了新范式：通过精确控制无机颗粒形貌来优化聚合物基复合涂层的多功能性。未来可进一步探索AgBG粒径梯度变化对细胞响应的影响，推动"抗菌-促成骨-力学适配"一体化涂层设计。作者团队Ching-Chien Huang、Han-Ting Lin等特别指出，该策略对降低植入后感染风险、缩短患者康复周期具有重要临床意义。