在钛植入物上制备并喷涂抗菌和生物活性银纳米颗粒/纳米羟基磷灰石梯度复合凝胶涂层

《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Preparation and performance of antibacterial and bioactive silver nanoparticle/nano-hydroxyapatite gradient composite gel coatings on Ti implants

　　

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  通过在钛植入物上依次进行浸涂和原位凝胶化处理，制备了梯度双层SA-nHA/AgNPs复合水凝胶涂层。
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  nHA纳米粒子作为刚性增强节点，显著提高了机械稳定性和界面剪切强度。
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  该涂层具有强大的抗菌效果，同时增强了生物矿化能力和优异的细胞相容性。

引言

由创伤、结构退化和感染引起的骨组织缺陷在结构生物材料的应用中带来了重大挑战，有效的修复和功能恢复仍然是关键障碍[1]，[2]，[3]。由于钛（Ti）及其合金具有优异的机械强度、匹配的弹性模量以及可靠的生物相容性，它们被广泛用于承重骨科应用[4]，[5]，[6]。然而，Ti本身的生物惰性常常导致骨整合不良，这可能最终导致植入物后的界面失效（无菌松动）[7]。同时，其表面缺乏抗菌能力，使其容易受到细菌附着和随后生物膜的形成，这总是会引起植入物周围的感染[8]。因此，对钛植入物进行表面改性对于赋予其双重功能至关重要：抗菌抗性和增强的界面骨整合。水凝胶具有高负载能力和仿生三维聚合物网络，当用活性剂功能化时，可以有效抑制细菌定植并促进生物矿化（羟基磷灰石的形成），从而最终提高植入物的长期界面存活率[9]，[10]，[11]。

海藻酸钠（SA）是一种容易获得的生物相容性天然大分子，它与钙离子（Ca²⁺等二价阳离子交联，形成“蛋箱”结构。这使得从液态溶胶到稳定的半固态凝胶的相变得以控制[12]，[13]，[14]。传统的钛植入物物理涂层往往存在局限性，难以在形态复杂的定制基底上实现均匀沉积。相比之下，通过浸涂施加SA前体溶液，然后进行原位凝胶化处理，可以在复杂的多孔结构上实现康顺覆盖，并防止涂层受到机械损伤。此外，通过调整溶胶参数，可以轻松调节涂层的物理化学性质，使其成为一种高效的表面工程策略[15]，[16]，[17]。先前研究也证明了海藻酸盐基涂层在钛基底上的可行性。Pazar?eviren等人在Ti-6Al-4V上开发了坚固的海藻酸盐/明胶中间层，而Wu等人在钛上构建了海藻酸钠/氯己定多层涂层，以协调早期抗菌活性和细胞相容性[18]，[19]。

为了克服纯水凝胶固有的机械性能薄弱问题，将功能性纳米材料结合进来制备复合涂层已被证明是一种非常有效的增强策略[20]，[21]，[22]。纳米羟基磷灰石（nHA）由于其高比表面积和纳米级尺寸，具有显著的结构优势，这密切模仿了天然骨的无机矿物相。这种仿生结构同质性赋予涂层优异的骨传导性，促进了快速的局部生物矿化和与周围骨基质的直接界面结合[23]，[24]。从生物力学的角度来看，分散的nHA颗粒在柔软的聚合物网络中充当刚性增强节点。nHA持续释放的Ca²⁺不仅触发了与SA链的二次离子交联[25]，还显著减轻了水凝胶层的膨胀降解。这种协同增强显著提高了涂层的机械稳定性和结构完整性，为细胞附着和增殖提供了最佳微环境[26]。此外，器械相关感染主要发生在术后早期，因此立即进行抗菌干预对于防止生物膜引起的结构失效至关重要[27]，[28]。为此，引入了银纳米粒子（AgNPs），因为它们具有独特的功能优势[29]。AgNPs的超小尺寸意味着其具有极高的表面积与体积比，确保了活性银离子（Ag⁺的高效释放，这些离子可以物理破坏细菌膜并通过活性氧（ROS）破坏细胞内氧化平衡[30]，[31]，[32]。关键的是，将AgNPs封装在外层复合网络中，使水凝胶能够起到调节扩散屏障的作用。这种战略性设计防止了剧烈的突然释放，同时在关键的术后早期提供了强有力的局部预防保护。这种短期抗菌策略有效抑制了早期的细菌定植，同时有意避免了长期重金属暴露对周围健康组织的潜在细胞毒性。

尽管SA水凝胶因其优异的生物相容性而被广泛用作植入物涂层，但仍然存在一个关键的科学瓶颈：传统单层水凝胶网络的高渗透性和快速膨胀往往无法充分限制负载活性剂的扩散[33]。因此，均匀的银负载复合涂层经常遭受不可控的初始Ag⁺突然释放。这种快速的消耗不仅缩短了预防性抗菌窗口，还会对相邻的成骨细胞产生严重的细胞毒性，破坏了持续骨整合所需的低毒性微环境[34]，[35]。

为了解决这一固有的权衡问题，本研究提出了一个独特的两层设计原理，超越了简单的成分混合。通过依次进行浸涂和原位凝胶化处理，合理地将相互矛盾的临床要求分离为成分和功能不同的区域。外层SA-nHA-AgNPs层作为针对关键术后感染窗口的急性、局部抗菌屏障。重要的是，坚固的内层SA-nHA层不仅作为生物活性基础，还有助于调节复合网络内的传输。在内部基质中掺入nHA刚性节点可以调节交联密度，限制过多液体的渗透，并有助于调节复合网络内的离子传输。通过系统评估这种结构-功能关系，这项工作提供了一种与传统均匀水凝胶不同的设计策略，提供了平衡预防性感染控制、界面生物活性和生物相容性之间竞争要求的可行方案。

章节片段

复合涂层的制备

通过将2克SA粉末溶解在100毫升去离子水中，并在60摄氏度下连续机械搅拌2小时，制备了均匀的基础溶液。为了构建双层结构，分别制备了内层和外层溶液。对于内层溶液（SA-nHA），将不同量的nHA（0、0.5、1.0和1.5克）分散到SA基础溶液中，搅拌1小时，并进行15分钟的超声振荡。对于外层溶液（SA-nHA-AgNPs），向另一个SA基础溶液中添加AgNO₃（0、2、5和10毫克）

水凝胶和涂层的微观结构

通过SEM（图1A和1B）表征了整体水凝胶和涂层的微观形态。所有整体水凝胶都显示出典型的三维互连多孔网络。纯SA显示出相对松散的多孔结构，壁薄且光滑。加入nHA后（SA-nHA0.5和SA-nHA1.0），孔壁变厚，变得越来越密集和均匀，表明分散良好的nHA颗粒发挥了结构增强作用。

结论

在这项研究中，通过依次进行浸涂和原位凝胶化处理，在钛表面成功制备了一种梯度双层复合水凝胶涂层，该涂层包含致密的内层SA-nHA基质和富集AgNPs的外层。nHA的加入显著提高了凝胶层的机械稳定性、界面剪切强度和耐腐蚀性。此外，嵌入的nHA纳米粒子提供了有效的异质成核位点，加速了生物矿化过程

知情同意和患者信息

作者没有从参与者或其法定代理人那里获得知情同意。由于本研究中没有招募人类参与者，因此不适用知情同意。实验中使用的人源细胞是商业购买的，没有涉及任何可识别个人信息或新收集的人体组织。

本研究遵循了研究进行地的相关法律、监管框架和指南。

伦理

郑星:监督。朱勇渡:写作 – 原稿撰写、可视化、验证、软件、研究、数据管理。马丰田:写作 – 审稿与编辑、可视化、监督、资金获取。刘平:监督、方法论。赵金木:验证、方法论、研究。黄静娟:监督。陈晓红:验证、监督。

在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT来改进语言。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对出版物的内容负全责。

本研究生成的所有数据集均在文章中完全提供。

这些作者声明没有任何可能影响本研究结果的财务或个人利益。

这些作者感谢国家自然科学基金（资助编号51771119）、上海自然科学基金（资助编号17ZR1419600）和上海高性能医疗设备材料工程技术研究中心（编号20DZ2255500）以及上海科技大学分析测试中心提供的财务支持。

朱勇渡|郑星|赵金木|刘平|陈晓红|黄静娟|马丰田