3D打印多孔Ti-6Al-4V合金表面溶胶-凝胶TiO2基涂层作为高效抗菌药物递送系统的结构与生物学特性研究

为解决骨科植入物感染和骨整合问题，研究人员首次在3D打印多孔Ti-6Al-4V合金（含螺旋环和十二面体结构）表面制备含羟基磷灰石(HA)和银(Ag)的溶胶-凝胶TiO2基涂层。通过体外模拟体液(SBF)测试证实其生物活性，对大肠杆菌(E. coli)的抗菌率达99.9%，细胞毒性测试显示低浓度Ag涂层无毒性。该研究为兼具骨整合和抗菌功能的植入物涂层开发提供新策略。

　　

在骨科和牙科植入物领域，钛合金Ti-6Al-4V因其优异的机械性能和生物相容性被广泛应用，但术后感染和骨整合不足仍是临床面临的重大挑战。传统植入物表面光滑，缺乏药物负载能力，而3D打印技术虽能构建仿生多孔结构，却难以同时实现抗菌和促骨生长的双重功能。更棘手的是，复杂多孔结构会阻碍涂层的均匀覆盖，这成为开发功能性植入物的技术瓶颈。

捷克布拉格化学技术大学（University of Chemistry and Technology, Prague）的Anna Knaislová团队在《Applied Ocean Research》发表研究，首次将溶胶-凝胶TiO₂基涂层应用于3D打印的螺旋环(gyroid)和十二面体(dodethick)多孔钛合金结构。研究人员通过优化含银(AgNO₃)和商用羟基磷灰石(HA)的溶胶配方，采用特定浸涂工艺在400°C热处理后形成涂层，系统评估了其结构特性、生物活性、抗菌性能和细胞相容性。

关键技术包括：1）对3D打印多孔结构进行表面形貌表征；2）通过浸涂法在复杂几何表面制备TiO₂-Ag-HA复合涂层；3）采用模拟体液(SBF)浸泡21天评估羟基磷灰石沉积能力；4）大肠杆菌抗菌测试；5）L929成纤维细胞毒性实验结合银离子释放量检测。

【微结构分析】

扫描电镜显示，传统钛棒表面涂层均匀无裂纹，而多孔结构涂层因几何复杂性出现局部开裂。值得注意的是，所有涂层均能精确复制基底的复杂形貌，十二面体结构内部也观察到完整的涂层覆盖（图8）。XRD分析发现基底形状影响HA和Ag的检测灵敏度，十二面体样品中未能检出HA相，但SEM证实其表面完全被新生羟基磷灰石覆盖。

【生物活性测试】

含HA的涂层在SBF中21天后形成厚达微米级的羟基磷灰石(HAp)层，其由纳米片状晶体聚集成球状（图11-15）。钙磷离子消耗量超20%，证实活跃的生物矿化过程。相比之下，不含HA的T涂层仅诱发零星HAp沉积，凸显HA对骨整合的关键作用。

【抗菌性能】

含0.04-0.06 mol/L Ag的涂层对大肠杆菌抑制率达99.6-100%（表1），而纯TiO₂涂层仅降低45%菌落。研究指出Ag⁺通过破坏细菌DNA和膜蛋白发挥杀菌作用，十二面体结构因更大比表面积表现出略低的抗菌效率（99.6% vs 100%）。

【细胞相容性】

细胞代谢实验揭示几何形状影响银释放：螺旋环结构提取液的Ag浓度（3.77-3.88 mg/L）是钛棒的5倍，导致L929细胞活性降至70%以下（图18）。而钛棒上的TAN04HA涂层（0.57-0.60 mg/L Ag）在保持抗菌性同时无细胞毒性，成为最优平衡点。

该研究证实溶胶-凝胶技术可成功构建兼具骨整合（通过HA诱导HAp沉积）和抗菌（通过Ag释放）功能的植入物涂层。创新性地证明：1）涂层能渗透至3D打印多孔结构内部；2）基底几何形状通过影响应力分布和离子释放动力学决定涂层性能；3）0.04 mol/L Ag浓度在抗菌与细胞相容性间取得最佳平衡。这些发现为个性化抗菌骨植入物的开发提供了重要理论依据和技术路径，尤其对复杂结构植入物的表面功能化具有指导意义。未来研究可进一步优化涂层在曲折孔道内的均匀性，并探索银控释策略以延长抗菌周期。