单原子 Zr 掺杂异质结：超声响应下抗菌与成骨双功能涂层的创新突破

《Journal of Nanobiotechnology》：Single-atom Zr doped heterojunction enhanced piezocatalysis for implant infection therapy through synergistic metal immunotherapy with sonodynamic and physical puncture

为解决植入物细菌感染治疗难题，研究人员开展 SrTiZrO3/Hap 涂层研究，其抗菌率高且促进骨修复，意义重大。

　　

超声响应的新型涂层：解决植入物感染与骨修复难题的希望之光

在医学领域，植入物的使用为众多患者带来了康复的希望，然而，细菌感染却成为了植入物治疗过程中一个棘手的难题。植入物细菌感染会使骨组织遭受感染和破坏，引发骨髓腔内脓肿，导致骨缺损。常见的病因包括创伤性感染、手术并发症以及血源性感染等。传统的治疗方法，如外科清创、抗生素治疗和骨移植，都存在一定的局限性和副作用。外科清创可能导致伤口愈合不良和骨组织再次损伤；抗生素治疗容易引发耐药菌株的产生，并带来全身性的副作用；骨移植则常常面临供体短缺和排斥风险。因此，寻找新的治疗方法成为当前研究的重要挑战。同时，理想的骨修复涂层材料应兼具出色的成骨和抗菌性能。

为了解决这些问题，浙江中医药大学第一附属医院、浙江中医药大学第一临床医学院等机构的研究人员展开了深入研究。他们开发了一种 Zr 掺杂的 SrTiO₃和 Hap（SrTiZrO₃/Hap）异质结涂层，该涂层具有单原子 Zr 掺杂和异质界面，旨在实现超声响应的抗菌活性和骨形成。研究成果发表在《Journal of Nanobiotechnology》上。

在研究方法上，研究人员采用了多种关键技术。通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）分析涂层的形态和结构特征；利用 X 射线光电子能谱（XPS）分析元素组成和能带结构；运用压电显微镜（PFM）测量压电性能；借助电子自旋共振（ESR）检测活性氧（ROS）的产生；采用密度泛函理论（DFT）计算探究增强压电性能的机制；通过多种体外和体内实验评估涂层的抗菌、细胞毒性、成骨和免疫调节等性能。

研究结果主要包括以下几个方面：

1. 涂层的结构与性能：SEM 和 TEM 图像显示，SrTiZrO₃/Hap 涂层呈现出特定的结构，Hap 与 SrTiZrO₃紧密结合，元素分布均匀。XPS 分析证实了涂层的成功制备和 Zr 的单原子掺杂。UV-Vis 吸收光谱表明，复合后的涂层光吸收性能增强。PFM 测试显示，SrTiZrO₃/Hap 具有良好的压电性能，且在超声照射后压电电位显著增加。
2. 压电催化性能：通过超声与原位电化学相结合的方法，研究发现 SrTiZrO₃/Hap 的超声电流增加，阻抗降低，对 RhB 的降解性能提高，表明其压电催化性能得到增强。ESR 检测结果显示，SrTiZrO₃/Hap 在超声照射下能产生大量 ROS，Zr 掺杂进一步增强了 ROS 的产生。
3. 抗菌性能：体外抗菌实验表明，SrTiZrO₃/Hap 对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）具有高效的抗菌活性，抗菌率分别达到 99.3% 和 99.7%。其抗菌机制主要包括超声激发产生的 ROS 以及涂层针状结构的物理穿刺作用。此外，SrTiZrO₃/Hap 对生物膜也有良好的去除效果。
4. 细胞毒性与成骨性能：MTT 检测结果显示，SrTiZrO₃/Hap 对 MC3T3-E1 和 MSCs 细胞无明显毒性，且能促进细胞生长。qRT-PCR 结果表明，SrTiZrO₃/Hap 在超声处理后能促进 ALP、OPN 和 OCN 等成骨相关基因的表达。转录组学分析显示，SrTiZrO₃/Hap 通过调节 PI3K/Akt 通路促进成骨分化。
5. 体内实验结果：在体内植入物相关细菌感染模型中，SrTiZrO₃/Hap 涂层表现出良好的抗菌性能，能有效减轻炎症反应，促进骨组织修复。MicroCT 和硬组织切片分析显示，SrTiZrO₃/Hap 组的骨生成效果显著优于其他组。同时，H&E 染色结果表明，SrTiZrO₃/Hap 对主要器官无明显毒性，具有良好的生物相容性。

研究结论和讨论部分指出，SrTiZrO₃/Hap 涂层具有超声响应的抗菌和成骨性能，其增强的压电催化效果主要归因于单原子 Zr 掺杂提供的局部界面极化以及异质界面内置电场的电子极化。该涂层能有效杀死细菌，调节免疫反应，促进骨组织修复，在体内实验中展现出良好的抗菌、成骨能力和生物相容性。这一研究成果为未来临床医学中的骨科植入物、修复材料和智能医疗设备提供了新的思路，在骨科、牙科等相关领域具有广阔的应用前景。