钛植入体锶/氟梯度功能化表面工程：时序增强抗菌与成骨活性的创新研究

为解决钛(Ti)植入体缺乏抗菌性和骨整合能力的临床难题，研究人员通过水热法和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术构建了锶(Sr)/氟(F)梯度涂层(Ti/FO-Sr)。该涂层通过F?早期快速释放破坏细菌膜结构与代谢，实现>95%抗菌率；后期协同Sr2+激活PI3K-Akt通路促进BMSCs成骨分化。动物实验证实其可同步预防感染并促进骨再生，为骨科植入体设计提供新策略。

　　

钛合金植入体因其优异的机械性能和生物相容性成为骨科修复的重要材料，但临床上面临两大挑战：术后早期易发生细菌感染，后期骨整合能力不足。据统计，膝关节置换术后感染率达0.5-2%，而踝关节置换更高达2-9%。更棘手的是，植入体表面在术后24小时内会形成"生物界面竞赛"——病原微生物与成骨细胞争夺表面定植权。若细菌占优将形成顽固生物膜，导致植入失败。现有解决方案如抗生素涂层易引发耐药性，而单纯促进成骨的涂层又无法应对早期感染风险。如何实现植入体表面功能的时序调控，成为生物材料领域的重大挑战。

针对这一难题，南昌大学团队创新性地将抗菌元素氟(F)与促骨形成的锶(Sr)结合，通过两步法在钛表面构建梯度功能涂层。研究采用水热法先在钛基底沉积Sr层，再通过PECVD技术在外层沉积含F涂层。关键技术包括：原子力显微镜(AFM)和透射电镜(TEM)表征涂层形貌，X射线光电子能谱(XPS)分析元素化学态，电化学测试评估耐腐蚀性，以及建立大鼠股骨感染模型进行体内验证。

3.1 样本表征

通过SEM和AFM观察到Ti/FO-Sr表面形成100nm级突起，涂层厚度约3μm。XPS证实表面存在TiF₃和SrO，TOF-SIMS显示F元素在表层500nm处富集。电化学测试表明Ti/FO-Sr腐蚀电流密度(i_corr)最低，电荷转移电阻(R_ct)最高，显示最佳耐蚀性。

3.2 抗菌评估

Ti/FO-Sr对金黄色葡萄球菌(S. aureus)和大肠杆菌(E. coli)的抗菌率均超95%。TEM显示F^?通过破坏细菌膜结构和抑制氨基酸代谢发挥杀菌作用。转录组分析发现F^?显著下调谷氨酸族氨基酸合成通路基因，并干扰TCA循环致ATP合成受阻。

3.3 体外生物相容性

活死染色显示BMSCs在Ti/FO-Sr表面存活率>90%。培养1小时后，细胞即出现纺锤形伸展，F-actin荧光强度较对照组增强2倍，表明涂层显著促进细胞粘附。

3.4 体外成骨分化

ALP染色显示Ti/FO-Sr组14天时活性达对照组的2倍。qPCR检测发现Runx2和Col1a1表达量在第5天时较Ti/FO组提高1.7倍。Western blot证实涂层通过激活PI3K-Akt信号通路促进成骨，p-Akt蛋白表达量提升3.5倍。

3.5 体内性能

大鼠模型中，Ti/FO-Sr组6周时骨-植入体接触率(BIC)达75%，显著高于对照组的35%。Micro-CT显示其新骨体积分数(BV/TV)提高2.1倍，H&E染色未见感染征象。器官切片证实涂层无系统毒性。

该研究创新性地实现了植入体功能的时序调控：早期F^?爆发释放(12mg/L)建立无菌环境，后期Sr²⁺协同残余F^?(0.55mg/L)促进成骨。这种"先抗感染后促再生"的设计理念，为解决骨科植入体的临床难题提供了新思路。论文发表在《Materials》期刊，其技术路线已具备工业化生产基础，水热反应器和PECVD设备均为成熟工艺，但大规模临床应用仍需进一步验证长期稳定性。值得注意的是，研究者特别关注了氟中毒风险，通过控制释放浓度使其始终低于致毒阈值，体现了临床转化的安全性考量。