创新的PVD Zr–Ti–Ag薄膜金属玻璃用于牙科应用：银含量对抗菌和生物相容性行为的影响

《ACS Omega》：Innovative PVD Zr–Ti–Ag Thin-Film Metallic Glasses for Dental Applications: Effect of the Silver Content on Antibacterial and Biocompatible Behaviors

　　

本研究探讨了通过磁控共溅射从独立靶材沉积的Zr–Ti–Ag薄膜金属玻璃（TFMGs）的潜力，银含量范围覆盖10–41 at %。研究人员研究了薄膜的微观结构、力学、物理化学和生物学性能，并结合其组成进行了讨论。研究发现，薄膜的结构受银含量强烈影响：在20–36 at % Ag范围内获得预期的非晶态结构，该结构具有高力学性能，适用于潜在的生物医学应用。表面非常光滑，但存在分散的微米级结晶小岛。表面润湿性主要受薄膜形态而非化学组成控制。在生物学方面，从25 at % Ag开始，对大肠杆菌（E. coli）和戈登链球菌（S. gordonii）均表现出显著的抗菌活性，该抗菌效应归因于银离子，通过合成离子释放溶液实验得到证实。此外，这些薄膜还对牙龈成纤维细胞表现出良好的细胞相容性。这些结果突出了Zr–Ti–Ag TFMGs组成控制微观结构的关键作用，并展示了其作为牙科植入物抗菌且生物相容性涂层的潜力。

**论文解读：Zr–Ti–Ag薄膜金属玻璃用于牙科植入物涂层的抗菌与生物相容性研究**

**研究背景与问题**

牙科植入物长期暴露于复杂的口腔微生物环境中，细菌感染是植入失败的主要挑战之一。早期细菌生物膜的形成会破坏骨整合并影响长期临床成功率。传统的植入材料（如Ti-6Al-4V、Co-Cr合金、Zr-Nb合金以及氧化锆）虽具有优异的力学性能和生物相容性，但本身不具备抗菌功能。因此，开发能够赋予现有植入物抗菌性能同时保持良好细胞相容性的表面涂层具有重要价值。薄膜金属玻璃（TFMGs）因其成分灵活性和可精细调控表面性能（如粗糙度、润湿性、力学性能）而备受关注。Zr-和Ti基的TFMGs已被广泛研究，但加入银（Ag）以提供广谱抗菌活性并同时保持Zr/Ti基体的生物相容性与耐腐蚀性，是一个有前景但尚未充分探索的方向。特别是针对牙科植入物-牙龈界面的应用，需要同时实现抗菌保护（抑制细菌定植）和牙龈成纤维细胞的良好粘附与增殖（形成有效软组织封闭）。本研究旨在系统研究银含量对磁控溅射Zr–Ti–Ag TFMGs的结构、表面特性、力学性能、抗菌活性及生物相容性的影响，并确定最佳的成分窗口。

**研究内容与结论**

研究人员通过磁控共溅射（magnetron cosputtering）在硅基片上沉积了Zr/Ti原子比接近1:1、Ag含量从10 at%到41 at%的一系列Zr–Ti–Ag薄膜。通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、纳米压痕（nanoindentation）、接触角测量、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）以及细菌（大肠杆菌E. coli和戈登链球菌S. gordonii）和细胞（人牙龈成纤维细胞）实验，系统分析了薄膜的微观结构、表面形貌、粗糙度、润湿性、力学性能、离子释放以及抗菌和细胞相容性。研究结论表明，在20–36 at% Ag范围内可获得非晶态结构，该结构具有高硬度（~4.1 GPa）和适中弹性模量（~105–118 GPa），且H/E和H³/E²比值与常用生物医学合金相当，表明其抗弹性变形和抗接触损伤能力良好。表面润湿性主要受表面形态（尤其是结晶小岛密度）控制，在25–27 at% Ag时表面最光滑、水接触角最高（接近90°）。从25 at% Ag开始，薄膜对两种细菌均表现出显著抗菌活性（A.R. > 65%），且随Ag含量增加而增强（最高>99.8%）。抗菌机制完全归因于Ag⁺离子的释放，Zr和Ti离子无贡献，也无协同或拮抗作用。在10–31 at% Ag范围内，薄膜对牙龈成纤维细胞表现出良好的细胞相容性，细胞粘附、铺展和增殖与玻璃对照相当；但36 at% Ag时出现局部腐蚀导致的细胞毒性，41 at% Ag时腐蚀严重无法观察。最终，研究人员确定25–31 at% Ag成分窗口为最佳平衡区，同时实现了结构稳定性、力学可靠性、显著抗菌活性和良好细胞相容性。

**主要关键技术方法**

研究人员采用磁控共溅射法（magnetron cosputtering）从独立的Zr、Ti、Ag靶材沉积薄膜，通过调节Ag靶功率控制银含量。使用X射线衍射（XRD）分析薄膜非晶态/晶态结构；扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）表征表面形貌与粗糙度；纳米压痕测试力学性能（硬度H、弹性模量E）；接触角测量评估润湿性；电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）定量离子释放浓度。抗菌实验采用大肠杆菌（E. coli，ATCC 11303）和戈登链球菌（S. gordonii，ATCC 10558）进行菌落计数（CFU/mL）；细胞相容性实验使用人牙龈成纤维细胞（Clinisciences 2301-SC），通过共聚焦显微镜观察细胞密度和形态。

**研究结果**

**3.1.1 组成与结构**：通过EDS确认八种薄膜的Ag含量为10–41 at%，Zr/Ti比接近1。XRD显示，10–15 at% Ag时薄膜为晶态（六方TiZrAg固溶体），20–36 at% Ag时呈现非晶态（宽弥散峰），41 at% Ag时出现晶化峰。非晶态薄膜在γ辐照和高压灭菌处理下结构稳定。

**3.1.2 表面形貌**：SEM和AFM显示，晶态薄膜表面粗糙、有颗粒；非晶态薄膜由光滑基质和分散的微米级结晶小岛组成。小岛密度在20 at% Ag时最高（~28000个/mm2），在25–27 at% Ag时急剧降低至最低（4–24个/mm2），随后随Ag含量增加而升高。小岛直径随Ag含量增加而增大（1–3 μm）。41 at% Ag时小岛合并形成连续粗糙结构。

**3.1.3 表面粗糙度与润湿性**：非晶态薄膜Ra < 0.5 nm，晶态薄膜Ra > 1.9 nm。水接触角（WCA）在78°–90°之间变化，与表面粗糙度呈负相关：在25–27 at% Ag时WCA最高（~90°），对应小岛密度最低。表明润湿性主要受表面形貌控制。

**3.1.4 力学性能**：纳米压痕显示，非晶态薄膜（20–36 at% Ag）的弹性模量E较低（~105–118 GPa），硬度H约为4.1 GPa，H/E和H³/E²比值在0.04和0.007 GPa左右，与Ti-6Al-4V和Co-Cr-Mo合金相当，优于316L不锈钢，表明其抗弹性变形和抗接触损伤能力良好。

**3.2.1 抗菌性能**：对E. coli和S. gordonii的抗菌活性在Ag含量低于25 at%时不显著，从25 at% Ag开始显著增强。对E. coli，27–41 at% Ag时A.R. > 99.8%；对S. gordonii，25–41 at% Ag时A.R.达65–93%。S. gordonii敏感性略低，归因于其较厚的肽聚糖层。

**3.2.2 离子释放**：ICP-MS显示，Zr和Ti释放量在Ag含量低于25 at%时较低（~10 ppb），超过25 at%后显著增加（>100 ppb）。Ag释放量随Ag含量增加而逐渐增加。抗菌活性趋势与离子释放（尤其是Ag释放）相关，提示Ag⁺为主要抗菌因子。

**3.2.3 抗菌机制**：通过合成离子溶液实验（Ag⁺ 17 ppb，Zr 50 ppb，Ti 123 ppb）证实，单独Zr或Ti无抗菌活性，含Ag⁺的溶液均导致细菌数量大幅下降，且无协同或拮抗效应。因此，抗菌活性完全源于Ag⁺离子。

**3.2.4 生物相容性**：牙龈成纤维细胞在10–31 at% Ag薄膜上培养24 h后，细胞密度约为45–55 cells/mm2（玻璃对照~65 cells/mm2），7天后增殖至约1700 cells/mm2，与玻璃对照相当。细胞形态良好，有丝状伪足延伸。36 at% Ag时出现腐蚀导致的细胞毒性，41 at% Ag腐蚀严重无法观察。表明在10–31 at% Ag范围内，薄膜具有良好的细胞相容性。

**总结与讨论**

研究人员指出，Zr–Ti–Ag TFMGs的银含量是控制非晶态-晶态转变、表面形貌、润湿性、力学性能、离子释放以及抗菌与细胞相容性的关键参数。在20–36 at% Ag范围内获得非晶态结构，且对灭菌工艺稳定。表面润湿性主要由表面形貌（结晶小岛密度）决定，而非化学组成。抗菌活性从25 at% Ag开始显著，完全归因于Ag⁺释放。同时，25–31 at% Ag的薄膜在保持良好细胞相容性的同时实现了高抗菌效果。综合来看，25–31 at% Ag TFMGs提供了结构稳定性、力学可靠性和生物学性能之间的最佳平衡，为牙科植入物涂层设计了一个新的相关窗口。该研究发表于《ACS Omega》。

**研究结论翻译**：
本研究证明，通过磁控溅射将银掺入Zr–Ti薄膜能够控制微观结构和多功能性能，适用于生物医学涂层。银含量决定了非晶态-晶态转变；薄膜在20–36 at% Ag范围内呈现预期的非晶态结构，且该无序结构对灭菌工艺稳定。表面性质主要受表面微观结构而非表面化学控制：非晶态薄膜表面非常光滑，晶态薄膜粗糙度较高；表面润湿性与表面形貌（特别是微米级结晶小岛状生长缺陷的分布）相关。在25 at% Ag以上，对革兰氏阴性菌大肠杆菌（Escherichia coli）和革兰氏阳性菌戈登链球菌（Streptococcus gordonii，代表早期口腔定植菌）均表现出显著抗菌活性。抗菌效应被证明完全源于介质中Ag⁺的释放，其他金属Zr和Ti无任何作用。尽管这些薄膜金属玻璃对细菌有害，但它们不影响生物相容性，允许原代牙龈成纤维细胞（维持牙龈-牙齿界面的细胞）的粘附和增殖。总体而言，含25–31 at% Ag的TFMGs在结构稳定性、力学可靠性和生物学性能之间提供了最佳平衡，为牙科涂层定义了一个新的相关设计窗口。这些发现突出了Zr–Ti–Ag薄膜作为多功能抗菌且生物相容性涂层用于牙科植入物的潜力，其中在植入物-牙龈界面限制早期细菌定植对于预防生物膜形成和种植体周围并发症至关重要。