## 中文标题 锶掺杂羟基磷灰石/聚多巴胺（SrHA@PDA）多功能光热涂层：协同增强多孔钽植入体抗菌活性与成骨细胞响应

《Materials》：Multifunctional Strontium-Substituted Hydroxyapatite/Polydopamine Photothermal Coating for Enhancing Antibacterial Activity and Osteoblast Response of Porous Tantalum Implants

　　

与骨科植入物相关的感染和生物整合不足仍是重要的临床挑战。在本研究中，研究人员通过化学共沉淀法制备了锶掺杂羟基磷灰石（SrHA），并利用聚多巴胺（PDA）的自聚合作用，在多孔钽（Ta）表面构建了SrHA/聚多巴胺（SrHA@PDA）复合涂层。该涂层在808 nm近红外（NIR）照射下表现出63.79%的光热转换效率，温度在10 min内升至62.7 °C。抗菌活性主要归因于PDA介导的光热加热效应。经NIR照射后，对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）均表现出显著的抗菌效果，同时Sr²⁺释放在考察期内保持受控。此外，SrHA@PDA涂层支持MC3T3-E1成骨细胞增殖，表明其具有良好的细胞响应。截面观察证实，在多孔Ta支架表面形成了致密、连续的含SrHA涂层，仿生矿化结果进一步表明其具有良好的表面生物活性。总体而言，SrHA@PDA涂层在单一表面改性策略中整合了可控Sr²⁺释放、良好的成骨细胞响应以及PDA介导的光热抗菌活性。这种多功能方法为改善多孔钽植入体在骨修复应用中的生物学性能和抗菌性能提供了一个有前景的平台。

## 论文解读文章

### 一、研究背景与问题

随着全球人口老龄化进程加快以及交通事故等高能量创伤增多，骨缺损修复的临床需求持续增长。多孔钽支架凭借其独特的三维互联孔隙结构（孔隙率75–85%、孔径200–800 μm、孔隙互联率>98%）以及接近天然松质骨的弹性模量（1.5–3 GPa），在骨替代材料研究中受到广泛关注。然而，多孔钽的高比表面积显著增加了生物膜形成风险，例如金黄色葡萄球菌的黏附密度可达到致密钽的三倍；同时，钽的化学惰性导致术后骨整合延迟，6周时骨-种植体接触率仅为38.7±5.2%。羟基磷灰石（HA）仿生涂层虽能改善成骨传导性，但传统等离子喷涂Sr-HA涂层界面结合强度不足，且缺乏内在抗菌功能。既往研究中，通过引入Cu²⁺、Zn²⁺、Ag⁺等杀菌金属离子虽可获得抗菌性能，但过量或长期释放会缩窄细胞相容性窗口并带来离子蓄积风险。因此，如何在减少对持续释放杀菌金属离子依赖的同时，兼顾成骨活性和抗菌能力，是该领域亟待解决的关键问题。

### 二、研究内容与总体结论

研究人员基于功能分工的设计思路，在保留Sr²⁺增强HA生物学性能的基础上，利用聚多巴胺（PDA）的光热转换效应提供主要抗菌功能，在多孔钽支架表面构建了SrHA@PDA复合涂层。该系统利用Sr²⁺促进成骨细胞响应，通过PDA在808 nm近红外照射下实现局部光热抗菌，降低了对杀菌金属离子释放的依赖。研究结果表明，该涂层兼具优异的光热转换效率（63.79%）、显著的抗菌活性（对E. coli和S. aureus抗菌率均超过96%）、可控的Sr²⁺释放以及良好的MC3T3-E1成骨细胞相容性，为多孔钽植入体的表面功能化提供了可行策略。

### 三、主要技术方法

研究人员采用化学共沉淀法制备了不同Sr取代比例（x=0、0.05、0.10、0.15、0.20）的SrHA纳米棒粉末，通过多巴胺自聚合反应在医用多孔钽支架表面构建SrHA@PDA复合涂层。表征手段包括扫描电子显微镜及能谱分析（SEM/EDS）、X射线衍射（XRD）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）。光热性能测试采用808 nm近红外激光器，通过升温-降温曲线并结合Roper模型计算光热转换效率。抗菌实验选用大肠杆菌（CGMCC 1.2385）和金黄色葡萄球菌（CGMCC 1.2465）两种菌株，采用平板菌落计数法评价抗菌率。细胞实验采用MC3T3-E1成骨细胞系（来源：国家生物医学细胞资源库，BMCR），通过MTT比色法评估细胞活力，并用SEM观察细胞形态。Sr²⁺释放行为通过电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）在去离子水中浸泡0–21天测定。仿生矿化实验通过模拟体液（SBF）浸泡7天后SEM观察评价表面生物活性。

### 四、主要研究结果

#### 4.1 离子改性纳米棒的结构表征与性能测试

SEM观察显示，HA及不同Sr掺杂量的SrHA1–SrHA4样品均呈均匀分散的纳米棒形貌，长度约120±10 nm，直径约25±5 nm。EDS结果表明，Sr原子百分比随掺杂浓度增加而提高（SrHA1至SrHA4分别为0.54 at.%至1.49 at.%），但掺杂效率呈非线性增长。XRD分析显示所有掺杂样品均出现系统性低角度峰位移，其中（002）晶面从25.88°移至25.52°，证实Sr²⁺替代Ca²⁺引起晶格沿c轴各向异性膨胀（约0.94%），且未检测到磷酸锶等杂相，表明形成了均一的固溶体结构。XPS结果进一步证实Sr以+2氧化态存在，并显示近表面区域Sr富集，同时P 2p峰位不变，表明PO₄^3?基团结构未受破坏。

#### 4.2 多孔钽上SrHA@PDA复合涂层的微观结构与形貌表征

SEM截面图显示，多孔钽表面形成了厚度约200–300 nm、致密且连续的含SrHA涂层，而未经PDA修饰的SrHA涂层厚度仅约50–100 nm且覆盖不均。TEM观察确认PDA呈无定形包裹层形态，SrHA4在PDA层中均匀分布，且无明显团聚。HRTEM测得SrHA4@PDA局部（002）晶面间距约0.369 nm，但研究人员明确指出该局部测量值不作为整体晶格膨胀的定量依据，而是以XRD的0.94%为准。FTIR光谱显示，PDA包覆后PO₄^3?特征峰（570 cm^?1、607 cm^?1）未发生位移，同时出现了1285 cm^?1（C-O伸缩）、1510 cm^?1（N-H弯曲）和1730 cm^?1（N-H面内弯曲）等PDA特征峰，证实PDA成功包覆在SrHA表面。

#### 4.3 多孔钽表面SrHA@polydopamine复合涂层的光热性能

在808 nm激光照射下（1.7 W/cm²），SrHA4@PDA液样在10 min内升至62.7 °C，达到肿瘤消融阈值（50 °C）以上，而相同功率下裸钽仅升温至37.3 °C。不同功率密度对比表明，温度随Sr掺杂量增大而升高，且1.5、1.7、2.0 W/cm²分别对应47.9 °C、62.7 °C和75.5 °C。为避免组织热损伤，后续实验选用1.7 W/cm²。根据Roper模型计算，SrHA@PDA的光热转换效率为63.79%，明显高于HA@PDA，说明Sr掺杂引入的晶格畸变增强了光吸收能力。

#### 4.4 多孔钽表面SrHA@polydopamine复合涂层的抗菌性能

将样品与E. coli和S. aureus共培养后，经808 nm激光（1.7 W/cm²）照射10 min，平板菌落计数显示：HA@PDA对两种菌的抗菌率分别为97.56%（E. coli）和96.17%（S. aureus），SrHA@PDA分别为98.08%和97.85%，均较未照射对照组显著降低（p<0.01）。SEM观察显示，照射后E. coli出现细胞壁破裂、变形及内容物泄漏，S. aureus则发生明显皱缩和表面塌陷，而未经处理的细菌形态完整。上述结果表明光热效应是抗菌的主要机制，SrHA@PDA抗菌率略高可能与其更强的光热响应有关。

#### 4.5 多孔钽表面SrHA@polydopamine复合涂层的生物活性

MTT结果显示，培养1、3、7天后，各组的MC3T3-E1细胞活力均随培养时间延长而增加，SrHA@PDA组在第7天的细胞活力显著高于纯钽组（p<0.01），且高于HA@PDA组（p<0.05或p<0.01），表明Sr掺杂促进了成骨细胞增殖。SEM观察显示，细胞在SrHA@PDA表面培养1天后即伸出大量丝状伪足，未见涂层剥落或开裂。SBF浸泡7天后，涂层表面形成了蜂窝状HA沉积层，与原始SrHA纳米棒形貌明显不同，提示Sr掺杂和PDA的酚羟基协同促进了仿生矿化。

#### 4.6 多孔钽表面SrHA@polydopamine复合涂层的离子释放曲线

ICP-OES测定结果表明，SrHA@PDA样品在去离子水中表现出持续、缓慢的Sr²⁺释放行为。21天时，SrHA4@PDA的Sr²⁺累积释放浓度最高，为0.591 mM，约为文献报道安全阈值的34–52%，处于生物学可接受范围内。该结果表明，通过调节Sr掺杂量可以控制Sr²⁺释放量，同时避免离子蓄积到有害浓度。

### 五、讨论与结论总结

讨论部分的核心观点是：Sr²⁺在本系统中不是主要抗菌成分，因为未照射时未见Sr掺入产生明显抗菌效果；其主要功能是增强成骨活性。PDA介导的光热转换则在近红外照射下提供主要抗菌效果，二者属于互补的功能组分而非协同抗菌机制。与依赖持续释放杀菌金属离子的传统策略相比，这种“功能分工”设计降低了对高浓度抗菌离子释放的需求，同时保持了良好的细胞相容性和抗菌性能。结论部分指出，该研究成功在多孔钽支架上构建了SrHA@PDA多功能涂层，兼顾了成骨细胞响应、可控离子释放和光热抗菌能力，为需要同时满足细胞整合和感染预防的骨修复材料提供了有前景的表面功能化途径。