《Biomaterials Advances》：Cell-derived extracellular matrix coating on β?zirconium alloy for enhanced osteogenic and angiogenic responses with pH-responsive antibacterial activity
编辑推荐：
•基于ECM的双功能涂层可减少感染并加速骨骼愈合。•ECM提供了整合素结合位点，促进细胞快速附着。•有序的ECM纤维引导纺锤体细胞形态并增强细胞分化。•具有pH响应性的抗菌活性：在酸性条件下细菌抑制率超过95%。引言骨科植入物的长期成功取决于稳定的骨整合和有效的感染控制。由于其优
- •
基于ECM的双功能涂层可减少感染并加速骨骼愈合。
- •
ECM提供了整合素结合位点，促进细胞快速附着。
- •
有序的ECM纤维引导纺锤体细胞形态并增强细胞分化。
- •
具有pH响应性的抗菌活性：在酸性条件下细菌抑制率超过95%。
引言
骨科植入物的长期成功取决于稳定的骨整合和有效的感染控制。由于其优异的化学稳定性、低磁化率和相对较低的弹性模量，亚稳态β-锆合金作为有前景的骨科植入材料受到了越来越多的关注[1],[2]。然而，金属植入物相对惰性的表面显示出不足的生物活性，限制了成骨细胞的附着、新骨的形成和血管化[3],[4]。此外，这些表面容易吸附细菌并形成生物膜，增加了植入物相关感染的风险[5]。因此，精确调节植入物表面特性已成为提高生物整合性和预防感染的关键策略[6],[7]。开发既能促进成骨/血管生成反应又能提供有效抗菌保护的多功能植入物界面仍然非常有必要。
理想的植入物表面应通过整合适当的生化信号和结构特性来模拟天然骨微环境[8]。无机仿生涂层（如羟基磷灰石）通过复制骨组织的矿物质相来改善骨传导性和界面相容性[9],[10]。有机仿生涂层引入了大分子（包括胶原蛋白、壳聚糖和透明质酸），以提供细胞附着位点和生物信号[11]。然而，现有的有机涂层主要基于水凝胶[12]或电纺结构[13]，并且通常依赖于简化的合成成分[14],[15],[16]。这些材料无法完全再现天然细胞外基质（ECM）[19]的复杂三维结构和多样的生物活性信号[18]。ECM由多种胶原蛋白、弹性蛋白、层粘连蛋白和丰富的生物活性分子精确组装成的三维网络组成，具有高组织特异性和广泛的信号传导能力[20],[21]。通过生化和结构调节，ECM在控制细胞行为（如附着、分化、组织重塑、成骨和血管生成）方面起着至关重要的作用。因此，天然ECM涂层在模拟体内微环境和引导骨组织再生方面具有无与伦比的优势[22],[23]，使其成为促进骨整合和功能恢复的优越策略。
尽管在再生表面改性方面取得了进展，但在保持生物活性的同时实现持久的抗菌功能仍然是一个挑战。传统的抗生素装载策略（包括药物吸附和包封）经常出现释放峰和有限的抗菌持续时间，这可能会降低长期抗感染效果[24],[25]。因此，具有感染响应性的抗菌涂层作为一种实现可控和局部抗菌活性的方法应运而生。在围手术期感染或细菌早期定植期间，由于细菌代谢和炎症反应，植入物周围的微环境往往会变得酸性[26]。万古霉素是一种广泛用于对抗革兰氏阳性细菌的抗生素，含有多个可通过酰胺键形成共价偶联反应的氨基[27],[28]。重要的是，这些对酸敏感的化学连接在酸性条件下可以发生水解，从而在感染触发时释放万古霉素，并在生理条件下最小化不必要的抗生素暴露[29]。
基于这些考虑，我们开发了一种策略，将天然ECM的生化信号和结构特性与万古霉素的智能抗菌能力结合起来。核心机制是在天然细胞外基质中的活性羧基与万古霉素分子上的多个胺基之间形成pH敏感的酰胺键，实现共价偶联。这种设计创造了一个多功能植入物表面，既能保留细胞外基质向细胞传递的特定生物信号（如成骨和血管生成），又能在感染相关的酸性条件下实现靶向、可持续的抗生素释放。因此，该植入物预计具有双重功能：增强的骨整合性和pH响应性抗菌活性。
在本研究中，我们研究团队开发的一种亚稳态β-锆合金（Zr-16Nb-12Ti）被选为基底材料，其弹性模量为52 GPa。通过微弧氧化和水热处理，在合金表面形成了一层多孔的锶/硅掺杂羟基磷灰石层，以模拟骨骼的无机相。随后，通过间充质干细胞（MSC）沉积和去细胞化生成细胞来源的ECM涂层，然后通过化学偶联结合万古霉素，构建了ECM-万古霉素多功能界面。通过对材料进行系统的表征、药物/离子释放动力学分析、体外细胞功能评估和体内骨缺损修复模型，全面评估了这种复合涂层的物理化学性质、生物活性、抗菌性能和促进骨整合的效果。这种多功能涂层策略为调节植入物-组织相互作用和改善骨科植入物表面的生物反应提供了一条有前景的途径。
章节片段
表面处理
将纯度≥99.99 wt%的Zr、Nb和Ti通过熔化结合，合成Zr16Nb12Ti合金。将所得合金加工成尺寸为Φ14.5 × 1 mm的样品。使用高频脉冲电源（MAO200H(D)，中国西安强伟电力设备有限公司）在由0.04 M葡萄糖酸钙和0.02 M六偏磷酸钠组成的电解质中进行6分钟的微弧氧化处理。
涂层表征
图1(a)展示了ECM和Van2涂层的制备过程。图1(b)显示了MAO、MH-SrSi、ECM和Van2涂层的微观表面形态。经过MSC培养和去细胞化后，在HA涂层表面上可见一层薄而连续的薄膜状物质（ECM），且不会掩盖下面的多孔结构。在更高放大倍数下，SrSi掺杂的羟基磷灰石纳米团簇仍然可以部分区分。
结论
我们在β-锆合金上开发了一种具有双重功能的多功能涂层。该涂层结合了ECM介导的仿生微环境和pH响应性的万古霉素释放系统，同时具备了ECM介导的成骨和血管生成反应以及体外pH响应性的抗菌活性。在体外实验中，该涂层提供了富含蛋白质的仿生微环境，促进细胞快速附着和增殖。有序的ECM结构进一步指导了细胞的组织化。
CRediT作者贡献声明
徐晓宁：撰写 – 原始草稿，研究，数据管理。王凯格：研究，数据管理。田月艳：方法学，研究。张立刚：撰写 – 审稿与编辑，监督。刘丽斌：撰写 – 审稿与编辑，监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报道工作的利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家重点科技计划-先进材料项目（项目编号：2025ZD0618501）、Henan省重点科技项目（项目编号：252102231057）和河南省高等学校重点科研项目（项目编号：25A430013）的支持。
徐晓宁|王凯格|田月艳|张立刚|刘丽斌
