《Science Progress》：Bioactive coatings for biomedical engineering application: A review of mechanical integrity, biocompatibility, and future smart technologies
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生物活性涂层在骨科和牙科种植学领域引起了广泛关注，因为在植入物表面与周围硬组织之间建立稳定且具有生物活性的界面仍是一个核心挑战。本综述考察了主要的涂层类别——无机、有机和杂化——特别关注它们在促进骨整合（osseointegration）、支持骨再生以及减少肌
生物活性涂层在骨科和牙科种植学领域引起了广泛关注，因为在植入物表面与周围硬组织之间建立稳定且具有生物活性的界面仍是一个核心挑战。本综述考察了主要的涂层类别——无机、有机和杂化——特别关注它们在促进骨整合（osseointegration）、支持骨再生以及减少肌肉骨骼和颅面应用中植入物相关感染方面的作用。本综述对生物活性涂层进行了深入探讨，将其分为三大类：无机、有机和杂化。它详细阐述了这些涂层的制备技术、表征方法和评估流程，说明了如何设计和测试这些涂层以获得最佳性能。除了技术层面，本综述还强调了该领域的几个关键问题，例如实现长期稳定性、在生理条件下保持生物功能性以及实现成本效益高的可扩展性以广泛应用。解决这些挑战可能带来重大进展，从提高植入物性能到减少并发症和改善患者预后。通过克服现有局限并整合新兴技术，生物活性涂层有望在医疗器械创新和再生医学的未来发挥重要作用，为更有效和个性化的治疗方案铺平道路。
1. 引言
近年来，生物活性涂层已成为生物医学和生物技术应用中的关键组成部分。这些涂层有潜力增强植入式设备和材料的性能及生物学反应，在宿主组织或细胞与植入材料之间提供一个界面。该界面促进细胞粘附、增殖和分化，最终导致植入物的愈合和整合得到改善。根据其组成，生物活性涂层大致可分为三类：无机、有机和杂化涂层。无机涂层，如羟基磷灰石（hydroxyapatite, HA）和磷酸钙（calcium phosphate, CaP），因其优异的生物相容性和促进骨结合的能力而广泛应用于骨科和牙科植入物。有机涂层，包括细胞外基质蛋白和水凝胶，已被探索用于增强软组织附着并减少植入物-组织界面的早期炎症反应。杂化涂层则利用无机和有机成分的互补特性，在需要同时具备力学完整性和生物活性的骨科和牙科环境中显示出特别的希望。
对生物活性涂层的进一步研究和创新为提高生物医学工程中的患者护理提供了巨大前景。然而，仍有几个关键方面必须仔细审查，以确保成功开发和临床转化。特别是，生物活性涂层的长期稳定性和生物相容性需要更广泛的评估，与涂层降解或功能失效相关的风险也需要更清晰的理解。此外，将生物活性涂层应用于承重骨科植入物和骨整合牙科固定装置提出了苛刻的技术要求，包括抵抗循环机械载荷、在生理液体中的长期化学稳定性以及在较长时间内支持细胞附着和分化的能力。
尽管生物活性涂层具有明显优势，但仍存在一些局限性，必须加以解决才能可靠地用于临床。长期耐久性和持续的生物功能性对于确保植入成功和患者安全尤为重要。成本是另一个关键因素，因为这些涂层的开发和大规模实施都可能成本高昂。本综述的主要目的是对生物活性涂层在生物医学工程中的当前进展和未来前景提供一个全面的跨学科概述。通过将这些涂层分为无机、有机和杂化类别，本文突出了它们各自的特点、制造方法以及在改善植入物整合和性能方面的具体作用。此外，本综述批判性地审视了这些挑战，包括降解问题和可扩展性限制，同时概述了应对这些挑战的创新方法。最终，这项工作旨在支持研究人员、临床医生和行业利益相关者，推动能够变革医疗植入物并改善全球患者护理的下一代生物活性涂层的发展。
虽然已有几篇综合性综述讨论了骨科和牙科植入物的生物活性涂层，但大多数，包括Mosas等人的重要工作，主要侧重于材料分类、制造方法和一般生物相容性评估。这些贡献提供了宝贵的基础知识；然而，它们并未系统地解决两个关键的转化维度，而这些维度对于弥合实验室研究与临床实践之间的差距至关重要。首先，现有的综述通常呈现体外、临床前体内和临床数据，而没有明确的分级区分，这可能会模糊所报告性能声明的证据强度，并阻碍研究人员评估哪些技术真正准备好进行临床转化的能力。其次，管理生物活性涂层批准的监管框架，包括涂层表征、测试方案和质量控制的国际标准，在现有文献中仍然明显未被充分探索，尽管这是商业化的主要障碍。本综述的新颖之处在于其对骨科和牙科种植学中生物活性涂层的综合性和比较性处理。本文不专注于单一涂层类型或制造方法，而是提供了一个跨越无机、有机和杂化系统的统一视角，并密切关注它们各自的力学、化学和生物学性能特征。特别强调长期稳定性、骨整合结果以及新兴涂层策略的转化可行性，这些考虑对于在临床实践中提高植入物性能至关重要。
需要说明的是，本工作被构建为一篇叙述性综述而非系统性综述；其目标是汇集一个关于骨科和牙科植入物生物活性涂层领域现状的广泛、跨学科的图景。没有遵循正式的系统性方案。相反，通过在Scopus、PubMed、Web of Science和Google Scholar上进行有针对性的检索来识别相关文献，最后一次检索更新是在2025年中期。因此，参考文献列表涵盖了几十年的工作，从1990年代末的基础研究到最近的2024年和2025年的论文，尽管重点主要放在过去五年的出版物上。检索词包括诸如生物活性涂层、骨科植入物、牙科植入物、羟基磷灰石、镁基合金、骨整合、生物相容性、耐腐蚀性、表面改性和智能涂层等组合。如果一项研究被认为能为围绕涂层分类、制造方法、力学性能、生物学反应或临床转化的讨论增添有意义的内容，则将其纳入，因为这些都是构建本综述的核心主题。也保留了一些较早或基础性的论文，主要是为了历史背景或方法论背景。
2. 生物活性涂层的类型和分类
植入物失效可能源于生物学和材料相关因素的结合，包括由于骨整合不足导致的炎症、感染和纤维包裹。力学和物理化学挑战，如低断裂韧性、疲劳强度、植入物与骨之间的模量不匹配（导致应力屏蔽），以及由腐蚀或磨损产生的颗粒碎屑和离子，也起着重要作用。为了应对这些挑战，生物活性涂层被用作医疗器械表面的薄层材料，以增强生物相容性和/或赋予特定的生物学功能。这些涂层可以与周围的生物环境相互作用，以促进组织整合、预防感染或递送治疗剂等。
生物活性涂层可以根据涂层组成和主要作用机制进行分类。该框架将涂层组织成四个不同的、非重叠的类别：无机/生物陶瓷涂层、有机/聚合物和蛋白质基涂层、金属和金属氧化物涂层，以及复合/杂化涂层。
2.1. 无机/生物陶瓷涂层
无机涂层主要由陶瓷和生物活性玻璃组成，由于其出色的生物相容性和促进直接骨结合的能力，被广泛应用于骨科和牙科植入物。羟基磷灰石和其他磷酸钙是该类别中最常用的材料，因为它们的化学成分与天然骨的矿物相非常相似。这些涂层通过实现与周围骨组织的直接物理化学键合来促进骨整合，从而提高植入物的稳定性和长期固定。生物活性玻璃，如45S5生物玻璃，代表了另一个重要的子类，它在暴露于生理液体会形成一层具有生物活性的羟基碳酸盐磷灰石层，进一步增强骨再生。除了骨科应用，无机涂层也被应用于心血管植入物以减少血栓形成。常见的制备技术包括等离子喷涂、电化学沉积和溶胶-凝胶加工。
2.2. 有机/聚合物和蛋白质基涂层
有机涂层包含多种天然和合成材料，包括聚合物、水凝胶和生物活性蛋白。合成的可生物降解聚合物，如聚己内酯（polycaprolactone, PCL）、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA）和聚乙二醇（polyethylene glycol, PEG），常用于改善生物相容性、减少局部炎症并提供治疗剂的受控释放。天然聚合物，包括壳聚糖和海藻酸盐，提供了额外的优势，如固有的抗菌活性和良好的细胞粘附特性。基于蛋白质的涂层，包含细胞外基质（extracellular matrix, ECM）成分，如胶原蛋白、纤连蛋白和层粘连蛋白，代表了这类有机涂层中的一个专门子类。这些涂层模拟天然的细胞微环境，积极促进细胞粘附、增殖和组织再生。在心血管应用中，有机涂层旨在促进内皮细胞覆盖，同时防止血栓形成。有机涂层的制备技术包括浸涂、静电纺丝和层层自组装。有机涂层的多功能性使其能够被定制用于药物洗脱应用，其中嵌入的药物被局部释放以调节愈合反应或预防感染。
2.3. 金属和金属氧化物涂层
金属涂层由生物相容性金属及其氧化物组成，主要用于增强耐腐蚀性、改善力学性能并赋予特定的生物学功能。钛及其合金因其优异的耐腐蚀性和形成稳定的TiO2氧化层以促进组织整合的能力而被广泛使用。钽涂层也因其卓越的骨传导性和高断裂韧性而受到关注。除了结构增强外，某些金属涂层还被设计用于抗菌目的。例如，银和氧化铜涂层会释放金属离子，破坏细菌细胞膜并抑制生物膜形成，从而降低种植体周围感染的风险。这些涂层通常通过物理气相沉积（physical vapor deposition, PVD）、磁控溅射或阳极氧化来施加。通过将机械耐久性与生物活性功能相结合，金属涂层为承重植入物应用提供了一种稳健的解决方案。
2.4. 复合/杂化涂层
复合或杂化涂层结合了上述两种或多种材料类别，以实现任何单一组分都无法达到的协同多功能性。例如，聚合物-陶瓷复合材料整合了HA或CaP的骨整合能力与可生物降解聚合物的药物递送能力和机械柔韧性。类似地，通常通过溶胶-凝胶或层层自组装制备的杂化有机-无机涂层，可以被设计为同时促进骨结合、释放治疗剂和调节炎症反应。复合涂层的组成、结构和表面形貌可以被精确设计以定制其生物学和力学性能。例如，将生物活性玻璃纳米颗粒掺入壳聚糖基质中可以增强矿化和抗菌活性，而添加金属纳米颗粒（如银）则进一步拓宽了抗菌谱。这一类别代表了生物活性涂层设计的前沿，提供了可定制的平台来解决植入物失效的多因素挑战。
2.5. 涂层-组织相互作用与选择标准
生物活性涂层的生物学性能受多种物理化学和生物学因素的复杂相互作用控制，包括化学成分、表面形貌、润湿性、表面电荷以及以受控方式释放治疗剂的能力。每个涂层类别通过与周围生物环境的不同机制相互作用，最终决定其临床疗效。无机/生物陶瓷涂层主要通过直接与矿化骨组织的物理化学键合来促进骨生长，这一过程是通过在暴露于生理流体时在涂层表面形成碳酸化磷灰石层来实现的。这种骨结合能力使它们特别适用于需要长期稳定固定的承重骨科和牙科应用。相比之下，有机/聚合物和蛋白质基涂层通过生化信号和物理模拟天然ECM来发挥作用。通过呈递生物活性配体和适当的机械线索，这些涂层刺激特定的细胞反应，包括粘附、增殖和分化，同时减少局部组织刺激并调节炎症级联反应。
金属和金属氧化物涂层通过表面氧化物化学和促进蛋白质吸附和成骨细胞附着的形貌特征的结合来促进组织整合。此外，来自某些金属涂层的抗菌金属离子的受控释放提供了结构支持和感染预防的双重功能。复合/杂化涂层通过整合多种材料类别，可以协调出协同的组织反应，例如同时发生骨整合、血管生成和抗菌保护，从而解决植入物失效的多因素性质。理解这些差异化的相互作用机制对于生物活性涂层的合理设计和临床选择至关重要。特定涂层系统的选择必须根据预期应用的具体生物学和力学要求来指导，考虑到植入位置、负载条件、患者健康状况和期望的生物学结果等因素。通过系统地将涂层特性与其生物学性能相关联，研究人员和临床医生可以开发出优化的涂层策略，以优化植入物整合、最小化并发症，并最终改善患者预后。
2.6. 挑战与未来展望
尽管生物活性涂层为推进生物医学应用提供了巨大潜力，但其未来发展和临床采用仍面临几个关键问题。一个主要关切是在复杂的生理环境中实现长期稳定性和耐久性。这些涂层必须承受机械载荷、生化相互作用和逐渐降解，同时保持其生物学功能。例如，羟基磷灰石等陶瓷涂层对骨整合非常有效，但可能很脆，使其在应力下容易开裂或分层。聚合物基涂层尽管具有出色的生物相容性，但可能会逐渐降解并释放可能引发炎症反应的副产物。旨在结合无机和有机材料优点的杂化涂层，常常遭受制备兼容性问题，使得大规模生产在技术上复杂且成本高昂。
另一个重要问题涉及可扩展性和成本效益。等离子喷涂或溶胶-凝胶加工等沉积方法虽然有效，但通常昂贵且依赖专用设备，限制了其广泛应用。此外，设计具有多种功能的涂层，如抗菌活性、受控药物递送或改进的力学性能，需要精确的工程设计和广泛的测试以满足安全和监管要求。宿主组织对生物活性涂层的反应也可能因患者特异性因素（如年龄、潜在健康状况和免疫状态）而有很大差异。这种变异性凸显了对更个性化涂层设计的日益增长的需求，这进一步复杂化了开发过程。该领域的进展将依赖于材料科学家、工程师和临床医生之间的密切合作，以开发成功平衡医疗器械涂层的性能、可靠性和经济性的解决方案。未来的研究方向应侧重于先进的制造技术、涂层-组织相互作用的预测性计算建模，以及能够适应变化的生理条件的智能、刺激响应型涂层的开发，从而实现生物活性表面工程的全面转化潜力。
