多孔钽纳米管阵列表面ZnO修饰的机械化学重编程策略：协同抗菌与成骨性能在感染性骨缺损治疗中的应用

本研究针对骨科植入术后感染和骨整合不足两大临床难题，通过磁控溅射技术在多孔钽纳米管(TaNTs)表面修饰ZnO颗粒，开发出具有pH响应性Zn2+释放特性的TaNTs@ZnO功能涂层。该材料在酸性感染微环境中可快速释放Zn2+实现99%以上的金黄色葡萄球菌(S. aureus)和大肠杆菌(E. coli)杀灭率，同时通过促进骨髓间充质干细胞(BMSCs)粘附分化和Runx-2/OCN基因上调加速骨愈合。动物实验证实其在感染性骨缺损模型中兼具抗感染和促骨整合双重功能，为骨科植入物表面改性提供了新思路。

　　

骨科植入手术面临两大"隐形杀手"：细菌感染和骨整合失败。当植入物进入人体后，微生物会像特洛伊木马般潜伏在材料表面，形成顽固的生物膜(Biofilm)，而传统抗生素对此束手无策。与此同时，植入体与宿主骨的"亲密接触"程度直接决定手术成败，但现有材料往往顾此失彼——强化抗菌性能会牺牲生物相容性，促进骨整合又可能增加感染风险。这种"抗菌-成骨"矛盾如同跷跷板，成为困扰骨科材料研发的世纪难题。

浙江大学医学院附属第一医院骨科团队在《Journal of Nanobiotechnology》发表的研究给出了创新解决方案。研究人员以临床常用的多孔钽(Ta)为基底，通过阳极氧化构建纳米管阵列(TaNTs)，再采用磁控溅射技术沉积氧化锌(ZnO)颗粒，成功制备出TaNTs@ZnO复合涂层。这种"纳米管+抗菌剂"的机械化学重编程策略，既保留了钽材料固有的骨诱导性，又赋予其智能抗菌特性，最终实现了"鱼与熊掌兼得"的理想效果。

研究主要采用四项关键技术：1）阳极氧化法制备TaNTs纳米管阵列；2）射频磁控溅射沉积ZnO涂层；3）SD大鼠股骨缺损模型（含感染模型）评估体内性能；4）转录组测序解析抗菌机制。通过这种多尺度表征与功能验证相结合的研究范式，系统评估了材料的理化性能和生物学效应。

【材料表征】

激光共聚焦显微镜和接触角测试显示，TaNTs@ZnO的接触角从纯钽的86.1°降至15.3°，呈现超亲水特性。X射线衍射(XRD)证实ZnO保持纤锌矿结构，X射线光电子能谱(XPS)检测到Zn2p_3/2特征峰。pH响应实验表明，在模拟感染环境(pH5.5)下Zn²⁺释放量是生理环境(pH7.4)的10倍，展现智能释放特性。

【细胞相容性】

CCK-8实验显示BMSCs在TaNTs@ZnO上增殖活性提升1.8倍。荧光染色观察到细胞伪足充分伸展，形成密集的F-actin应力纤维。值得注意的是，尽管ZnO具有潜在细胞毒性，但通过纳米管限域效应实现了安全剂量控制，Live/Dead染色显示细胞存活率>95%。

【成骨性能】

ALP染色显示TaNTs@ZnO组碱性磷酸酶活性较纯钽提高3.2倍。茜素红染色可见显著钙结节沉积，qPCR检测到Runx-2、OCN等成骨基因表达上调2-5倍。免疫荧光显示I型胶原(COL-1)分泌量增加，微CT显示植入4周后骨体积分数(BV/TV)提升47%。

【抗菌机制】

扫描电镜(SEM)观察到S. aureus在TaNTs@ZnO表面发生膜皱缩破裂。β-半乳糖苷酶(β-GAL)检测显示膜通透性增加3.5倍，伴随大量蛋白质泄漏。转录组分析发现氨基酸代谢通路相关基因显著下调，与活性氧(ROS)爆发导致的能量代谢紊乱相符。

【动物实验】

在感染性骨缺损模型中，TaNTs@ZnO组植入3天后菌落形成单位(CFU)减少99.8%，4周时新生骨小梁数量(Tb.N)增加2.1倍。组织学显示CD31⁺血管密度提高，证实其促进血管化骨再生的能力。

这项研究突破性地解决了"抗菌-成骨"矛盾：TaNTs的纳米拓扑结构选择性促进BMSCs粘附，而ZnO的pH响应释放实现精准杀菌。其创新性体现在三方面：1）机械化学重编程策略避免传统涂层易脱落缺陷；2）纳米管限域效应平衡Zn²⁺的细胞毒性与抗菌性；3）首次揭示ZnO通过破坏细菌膜转运蛋白发挥协同抗菌。该成果为开发新一代"抗感染-促再生"双功能骨科植入物提供了理论和技术支撑，具有重要临床转化价值。