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《Materials & Design》：Programmable plasma sprayed Hydroxyapatite surface to Regulate apatite formation and prevent bacterial Physical shielding for bone implants

　　

**专业摘要翻译**
钛基植入体因其良好的生物相容性、耐腐蚀性和力学性能，被广泛应用于膝关节和髋关节等承重植入体。然而，植入后存在应力屏蔽、感染和骨整合不足三大主要并发症，可导致植入失败。羟基磷灰石（Hydroxyapatite, HA）因其优异的生物相容性、与骨组织的化学相似性以及诱导骨长入的表面化学特性，五十年来被广泛用作金属植入体的生物活性涂层。等离子喷涂（Plasma spray）是目前美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于金属植入体HA涂层的技术，但其固有的粗糙微结构（孔隙和裂纹）为细菌黏附与定植提供了有利位点，且涂层中的非晶相快速降解会诱导表面形成薄层磷灰石，该磷灰石层会屏蔽孔隙和裂纹中的细菌，抑制抗菌离子的渗透。本研究通过离子取代策略，将Zn²⁺和Ga³⁺共掺杂入HA晶格，以协同应对细菌黏附、磷灰石层屏蔽及早期炎症脆弱性等多重失效模式。Zn²⁺通过调控涂层与体液界面的表面电荷，抑制磷酸钙成核，从而阻遏屏蔽细菌的磷灰石层形成，同时破坏细菌膜完整性并促进成骨分化；Ga³⁺则通过模拟Fe³⁺被细菌铁转运系统摄取，干扰DNA合成与能量代谢，产生杀菌效应，并抑制破骨细胞重吸收及减少种植体周围炎症信号。研究人员采用水热法合成Zn²⁺/Ga³⁺二元掺杂HA纳米粉体，并通过大气等离子喷涂技术沉积于钛基底，随后进行热处理。结果表明，热处理可恢复涂层结晶度、减少非晶相、增强ZnO相形成，从而进一步抑制植入体表面磷灰石形成并提高涂层力学性能。研究人员评估了涂层的表面形貌、理化性能、力学性能、抗E. coli和S. aureus能力、体外MC3T3-E1细胞生物相容性，并通过体内实验予以验证。该可编程表面通过抑制细菌封装、ZnO介导的活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）生成以及Zn²⁺/Ga³⁺协同杀菌机制，实现了高效抗菌与骨整合的同步促进，为感染高风险临床场景提供了一种有前景的植入体表面改性策略。

**论文解读文章**

**研究背景与拟解决的科学问题**

钛及其合金凭借优异的生物相容性、耐腐蚀性和力学性能，是承重骨植入体（如膝关节和髋关节假体）的主流材料。然而，植入术后常面临应力屏蔽、细菌感染和骨整合不足三大并发症，严重影响植入体的长期稳定性与临床成功率。为改善植入体与骨组织的整合，羟基磷灰石（Hydroxyapatite, HA）因其化学组成与天然骨无机相高度相似且具备优异的骨传导性，已成为金属植入体表面改性的“金标准”生物活性涂层。在众多HA涂覆技术中，大气等离子喷涂（Atmospheric Plasma Spray, APS）是目前唯一获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于金属植入体HA涂层的临床技术，其涂层具备良好的生物相容性、应变耐受性和粘接强度。

然而，等离子喷涂HA涂层存在两个固有缺陷：一是粗糙的微观结构（孔隙和微裂纹）为细菌黏附与定植提供了“庇护所”；二是喷涂过程中的快速冷却导致HA发生相分解，产生大量非晶相和副产物相。非晶相在生理环境中降解速率远高于结晶HA，会迅速在涂层表面诱导沉积出一层新的磷灰石层。尽管该磷灰石层传统上被视为骨传导性的标志，但它同时会将定植于微缺陷中的细菌物理性地“封装”起来，形成一道扩散屏障，使治疗性抗菌离子无法到达细菌所在的微观环境，也阻碍了宿主免疫系统对细菌的清除。这一“磷灰石介导的细菌屏蔽”机制，被认为是导致HA涂层体外抗菌活性高而临床感染预防效果有限的根本原因。因此，在不放弃FDA批准的临床成熟工艺的前提下，如何通过材料学手段从根源上消除这一隐性失效模式，同时赋予涂层高效的抗菌与成骨活性，是骨植入体表面工程领域亟待解决的关键科学问题。

**研究策略与核心技术方法**

针对上述问题，研究人员提出“热可编程表面”策略，利用Zn²⁺/Ga³⁺双离子协同掺杂结合后沉积热处理，实现对磷灰石再沉淀过程的主动调控。研究人员通过一步水热法合成了Zn²⁺和Ga³⁺各占阳离子总量5 at%的二元掺杂HA纳米粉体（维持Ca/P摩尔比1.67），随后采用大气等离子喷涂技术将纯HA和掺杂HA粉体沉积于经喷砂处理（2000目抛光）的钛基底表面，并将掺杂涂层分别在400°C和500°C下热处理5小时，得到系列涂层：纯HA（HA）、喷涂态共掺杂涂层（Ga,Zn）、热处理涂层（Ga,Zn)400和(Ga,Zn)500。研究中采用了X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）、拉曼光谱（Raman）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）及能谱分析（EDS）、3D激光扫描显微镜和接触角测量等手段系统表征涂层的物相组成、化学状态、表面形貌、粗糙度和润湿性；采用标准拉伸粘接测试（ASTM C633 / ISO 13779-4）评估涂层力学性能；通过浸泡实验测定Ca²⁺、Ga³⁺、Zn²⁺离子的14天累计释放曲线。体外生物学评价采用MC3T3-E1小鼠前成骨细胞系，包括CCK-8增殖检测、Calcein-AM/PI活死染色、DCFH-DA胞内ROS检测、F-actin/DAPI细胞骨架染色、ALP活性测定、茜素红矿化结节染色以及成骨相关基因（ALP、RUNX2、OCN）表达分析。抗菌实验选取Escherichia coli（E. coli）和Staphylococcus aureus（S. aureus）两种模式菌株，采用平板计数法、SEM形貌观察和胞内ROS检测评估抗菌性能。体内实验选用Sprague-Dawley大鼠背部皮下感染模型，植入前将所有样本用100 μL浓度1×10? CFU/mL的S. aureus污染1小时，术后1周和2周取材，通过平板计数、培养基浊度、组织学染色（HE、Giemsa、Masson三色、Ki-67、TUNEL）及主要脏器HE染色综合评价体内抗菌效果、炎症反应、胶原沉积、细胞增殖/凋亡及全身毒性。

**主要研究结果**

**理化性质与物相组成**：XRD分析显示，喷涂态涂层包含结晶HA相和非晶相（α-TCP），掺杂涂层因Zn²⁺（0.74 ?）和Ga³⁺（0.62 ?）离子半径小于Ca²⁺（0.99 ?）导致晶格畸变，非晶相含量更高。(002)衍射峰向高角度偏移证实了掺杂离子成功取代Ca²⁺位点并引起c轴收缩。随着热处理温度升高，非晶相含量显著降低、结晶度恢复，同时出现明显的ZnO特征峰，表明Zn²⁺在热处理过程中从非晶相中迁移、偏析并氧化为ZnO。FTIR和Raman光谱确认了HA的PO₄^3-特征振动模式在掺杂和热处理后完整保留，ν₁峰半高宽（FWHM）从10.1 cm^?1降至8.9 cm^?1，进一步证实结晶度提升。XPS分析表明Ca 2p和P 2p结合能稳定，Ga 3d位于22.18 eV对应Ga-O键合态，Zn 2p双峰间距23 eV证实ZnO化学环境形成，热处理促使Zn²⁺向涂层表面富集并氧化。

**表面特征与力学性能**：共掺杂结合热处理使涂层平均表面粗糙度从纯HA的6.60±0.35 μm增加至(Ga,Zn)500的7.89±0.32 μm，水接触角从74.18°±3.61°显著降至40.50°±2.20°，实现亲水表面转变，有利于蛋白吸附和细胞黏附。SEM显示所有涂层均呈现典型等离子喷涂形貌（部分熔化颗粒、重凝片层和卫星颗粒），掺杂未改变涂层的微观形貌特征；截面观察显示涂层厚度均匀（170±20 μm），掺杂涂层较纯HA更致密。EDS面扫描证实Ca、P、Ga、Zn元素在涂层截面均匀分布。拉伸粘接测试显示，热处理后涂层粘接强度显著提升，(Ga,Zn)500达35.50±0.89 MPa，远高于ISO 13779-4标准要求的15 MPa最低阈值，归因于残余淬火应力释放和非晶相再结晶。

**离子释放行为**：14天浸泡实验显示，喷涂态掺杂涂层的Ca²⁺释放量高于纯HA（非晶相含量高所致），但热处理显著降低了Ca²⁺和Ga³⁺的释放速率；相反，Zn²⁺释放随热处理温度升高而增强。该相反趋势归因于两个机制：一是热处理促进ZnO表面形成，ZnO在生理介质中较HA晶格内Zn²⁺更易释放；二是热处理抑制了Ca²⁺/PO₄^3-共沉淀，减少了磷灰石扩散屏障的形成，使表面ZnO暴露更充分。(Ga,Zn)500呈现“早期爆发释放（ZnO）+后期持续释放（晶格Zn²⁺）”的双相Zn²⁺释放模式，兼顾了植入初期即时抗菌和长期促成骨的需求。

**体外生物相容性**：CCK-8检测显示所有涂层均支持细胞随时间增殖，(Ga,Zn)500表现出最高的细胞活力。活死染色证实各涂层表面以活细胞为主，(Ga,Zn)500细胞分布均匀且数量最多，极少量死细胞表明离子释放处于细胞相容范围内。DCFH-DA荧光显示纯HA和喷涂态掺杂涂层无胞内ROS信号，而热处理涂层ROS信号随温度升高而增强，与ZnO浓度一致，但ROS水平不足以产生细胞毒性，细胞形态保持完好。F-actin/DAPI染色和SEM观察显示(Ga,Zn)500表面细胞铺展充分、肌动蛋白应力纤维发达、伪足延伸明显，呈现健康的成骨细胞形态。ALP活性和茜素红染色显示(Ga,Zn)500在3/7天ALP活性和14天矿化结节形成方面均为最高，成骨基因（ALP、Runx2、OCN）表达也随热处理温度上调，证实其促进成骨分化和矿化成熟的优异能力。

**体外抗菌性能**：平板计数显示纯HA无抗菌能力，喷涂态掺杂涂层仅表现中等抑菌效果，而热处理涂层抗菌率随温度升高显著提升。SEM观察揭示关键机制：纯HA表面可见细菌被新生磷灰石层包裹屏蔽，而(Ga,Zn)500表面细菌呈现明显的结构破坏、表面皱缩和塌陷。胞内ROS检测证实热处理涂层导致细菌内ROS水平显著上升。(Ga,Zn)500的抗菌机制为三重协同：Zn²⁺抑制磷灰石成核、阻止细菌封装；ZnO持续产生ROS破坏细菌膜及核酸蛋白；Ga³⁺通过模拟Fe³⁺经铁载体途径进入细菌内部，干扰铁依赖酶（如核糖核苷酸还原酶和细胞色素）功能，导致细菌呼吸和DNA复制崩溃。

**体内抗菌与组织相容性**：S. aureus预感染大鼠皮下植入模型显示，(Ga,Zn)500植入体抗菌率达91%以上，培养基浊度明显低于HA组。HE染色显示HA组存在大量炎性细胞浸润并形成厚纤维包膜（994.21±82.43 μm），而(Ga,Zn)500组仅见轻微炎症反应和薄纤维层（201.02±17.32 μm），且纤维层厚度随时间减少。Giemsa染色证实HA组植入体表面黏附大量细菌，而(Ga,Zn)500组仅见极少量细菌。Masson三色染色显示(Ga,Zn)500组胶原沉积致密、排列有序，HA组胶原纤维稀疏不均。Ki-67免疫荧光显示(Ga,Zn)500组细胞增殖信号显著增强，TUNEL染色显示凋亡细胞明显减少。主要脏器（心、肝、脾、肺、肾）HE染色均未发现异常，证实涂层无全身毒性。

**结论与意义**

本研究揭示并成功破解了等离子喷涂HA涂层固有的隐性失效机制——磷灰石再沉淀层对细菌的物理封装屏蔽。通过Zn²⁺/Ga³⁺共掺杂结合后沉积热处理，构建了热可编程表面：(Ga,Zn)500涂层通过Zn²⁺介导的表面电荷调控抑制磷灰石成核，从根源上消除了细菌的“物理庇护所”；ZnO产生的ROS与Zn²⁺/Ga³⁺协同杀菌（涉及“特洛伊木马效应”），赋予涂层高达91%的抗菌率；同时涂层保持了优异的细胞相容性和成骨诱导活性，体内实验证实其显著减少细菌定植、减轻炎症反应（纤维层厚度201 μm对994 μm）、促进细胞增殖和组织愈合。该涂层策略为污染手术区域、翻修手术、开放性骨折及免疫功能低下患者等高风险临床场景提供了兼顾抗感染与骨整合的先进植入体表面解决方案，具有重要的临床转化前景。