基于生物玻璃、维生素D3和蜂毒肽的多功能生物活性涂层（通过MAPLE技术沉积），可提升钛植入物的骨整合性、抗菌性能及耐腐蚀性

《Advanced Materials Interfaces》：Multifunctional Bioactive Coatings Based on Bioglass, Vitamin D3, and Melittin Deposited via MAPLE for Enhanced Osseointegration, Antibacterial Activity, and Corrosion Resistance of Titanium Implants

钛基生物活性涂层开发及性能研究 | 技术创新

　　这项研究围绕一种新型多功能生物活性涂层的开发展开，该涂层由生物玻璃（Bioglass, BG57）、维生素D3（VD3）和蜂毒肽（Melittin, Mel）组成，通过矩阵辅助脉冲激光蒸发（MAPLE）技术沉积在钛基材上。研究的主要目标是通过提升钛植入物的骨整合能力、耐腐蚀性能和抗菌活性，从而增强其在生物医学领域的应用效果。研究结果表明，这种复合涂层不仅具有良好的化学稳定性和适宜的微/纳米结构，还能有效促进细胞粘附和活性，展现出广泛的应用前景。

钛作为一种广泛应用的生物材料，因其优异的机械性能、耐腐蚀性以及良好的生物相容性，被广泛用于骨科和牙科植入物。然而，钛植入物在体内存在一个显著的挑战，即其骨整合能力有限。为了改善这一问题，研究者尝试通过表面改性技术，将生物活性材料如羟基磷灰石（HAp）、生物玻璃或不同形式的钙磷化合物引入钛表面。这些材料能够促进骨再生，并通过其可溶性特性，在生理环境中释放活性离子，如硅（Si）、钙（Ca）、钠（Na）和磷（P），从而在钛表面形成磷酸钙层，有助于与宿主骨组织的结合。此外，钛在某些环境下，特别是高氯离子浓度的生理环境中，容易发生局部腐蚀，这可能影响其长期的稳定性。因此，开发能够增强钛表面耐腐蚀性能的涂层成为研究的重要方向。

MAPLE技术作为一种激光沉积方法，因其能够在不破坏材料的前提下，实现对有机和无机材料的低温沉积，被广泛应用于生物活性涂层的制备。在本研究中，该技术用于制备包含生物玻璃、维生素D3和蜂毒肽的复合涂层，旨在通过其协同效应提升钛植入物的综合性能。蜂毒肽是一种天然的抗菌肽，其抗菌机制与它的结构密切相关，尤其是其N端的疏水性氨基酸和C端的带正电荷氨基酸。研究者通过实验评估了不同浓度蜂毒肽的细胞毒性，并发现0.25 mg/mL是既能保持生物相容性又能有效抑制多种细菌生长的最低有效浓度。同时，维生素D3的细胞毒性阈值也被确定为0.5 mg/mL，因此，研究中采用0.25 mg/mL的浓度以确保其安全性。

通过FTIR分析，研究者确认了生物玻璃、维生素D3和蜂毒肽在复合涂层中的成功整合，没有发生结构性的破坏。FTIR图谱显示，这些材料在不同波数下具有各自独特的吸收峰，表明它们在涂层中保持了各自的化学特征。SEM图像则进一步揭示了涂层表面的微观结构，呈现出密集且具有不规则形态的特征，这种结构有助于细胞的粘附和增殖。AFM分析显示，涂层表面具有较高的粗糙度，表明其能够提供更大的表面积，从而促进细胞与材料的相互作用。接触角测试表明，涂层具有更高的亲水性，有利于生物分子的吸附和细胞的早期识别，从而增强生物活性。

在电化学性能方面，研究者使用电化学阻抗谱（EIS）和开路电位（Eoc）对涂层进行了评估。结果显示，BAV涂层显著提高了钛基材在模拟体液（SBF）中的耐腐蚀性能。这表明，该涂层能够在生理环境中保持良好的稳定性，并有效抑制材料的降解。通过分析不同频率下的阻抗数据，研究者发现BAV涂层在较低频率下表现出更高的电荷转移电阻，说明其具有更好的保护性能。同时，该涂层在较高频率下表现出更高的相位角，表明其具有一定的电容特性，有助于材料与周围组织的电化学交互。

为了评估涂层的长期抗菌性能，研究者进行了长达7周的浸润实验，并利用紫外-可见吸收光谱检测了蜂毒肽的释放情况。结果表明，BAV涂层能够实现蜂毒肽的持续释放，这种释放方式有助于长期的抗菌保护，防止细菌在植入物表面的定植和生物膜的形成。通过对抗菌实验和生物膜形成实验的对比，研究者发现BAV涂层在抑制多种细菌（如金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌和大肠杆菌）的生物膜形成方面表现出显著效果。尤其是在24小时和72小时的实验中，BAV涂层对生物膜的抑制作用更为明显，表明其能够有效干扰细菌的附着和代谢过程，从而防止感染的发生。

在生物相容性方面，研究者对BAV涂层进行了细胞毒性测试，包括MTT和LDH检测。结果显示，该涂层在0.25 mg/mL的浓度下对细胞没有毒性，表明其在生物医学应用中具有良好的安全性。此外，通过ELISA检测，研究者发现BAV涂层能够促进成骨细胞的骨生成活性，且不会引起显著的炎症反应。同时，研究还评估了BAV涂层对T细胞增殖的影响，发现其对免疫细胞的活性没有显著影响，表明其在体内不会引发免疫毒性。

在细胞功能方面，研究者通过基因表达分析，发现BAV涂层能够显著促进成骨细胞中与骨生成相关的基因（如骨钙素、骨桥蛋白和骨形成蛋白）的表达，表明其具有良好的骨整合潜力。这些基因的上调意味着涂层能够诱导细胞向成骨细胞分化，从而促进新骨组织的形成。此外，研究还发现，BAV涂层能够维持正常的骨代谢指标，如骨钙素的分泌水平，说明其能够支持健康的骨组织修复过程。

从应用角度来看，BAV涂层的开发为下一代生物医学植入物提供了新的思路。通过结合生物玻璃、维生素D3和蜂毒肽，该涂层不仅能够提升钛材料的生物活性，还能增强其抗菌性能和耐腐蚀性。这种协同效应使其能够有效应对植入物相关的感染问题，并促进长期的骨整合。此外，涂层的持续释放特性也表明，其能够提供长期的抗菌保护，这对于减少术后感染的发生具有重要意义。

总的来说，这项研究展示了一种具有多重功能的钛表面涂层，它在促进骨整合、增强耐腐蚀性和抗菌性能方面表现出色。通过MAPLE技术的使用，研究者成功实现了材料的低温沉积，确保了其生物活性和结构完整性。该涂层在多个方面都显示出良好的生物相容性和功能性，为未来的植入物表面改性提供了重要的参考价值。随着对生物活性材料研究的不断深入，这类复合涂层有望成为提升植入物性能的重要工具，为临床治疗提供更安全、更有效的解决方案。