钙掺杂氧化锌纳米颗粒功能化钛表面用于增强硬组织植入体的抗菌性能

本研究针对骨科和牙科植入体相关感染这一临床难题，创新性地采用钙掺杂氧化锌纳米颗粒(Ca-doped ZnO NPs)修饰钛植入体表面。研究人员通过溶胶-凝胶法合成纳米颗粒，结合仿生钙磷涂层技术，显著提升了植入体对金黄色葡萄球菌(S. aureus)的抗菌活性(p<0.0001)。SEM证实涂层均匀致密，14天处理组展现出最佳抗菌和抗生物膜性能，为临床解决植入体感染提供了新策略。

　　

在骨科和牙科植入手术中，植入体相关感染始终是困扰临床医生的棘手问题。这些感染不仅导致高达10万美元的单病例治疗成本，更可能引发植入失败、二次手术等严重后果。罪魁祸首——金黄色葡萄球菌(S. aureus)能在植入体表面形成顽固的生物膜，如同给细菌穿上"防弹衣"，使常规抗生素束手无策。传统解决方案如纯氧化锌(ZnO)涂层存在细胞毒性风险，银纳米颗粒又可能引起氧化应激，都难以兼顾抗菌效能与生物相容性。

针对这一临床痛点，来自国立科学技术大学(NUST)机械与制造工程学院生物医学工程与科学系的研究团队另辟蹊径，将目光投向钙掺杂氧化锌纳米颗粒(Ca-doped ZnO NPs)。这种创新材料巧妙结合了锌离子的广谱抗菌性和钙离子的骨传导特性，通过仿生钙磷涂层技术将其锚定在钛植入体表面，相关成果发表在《SLAS Technology》期刊。

研究团队主要采用溶胶-凝胶法合成纳米颗粒，通过UV、FTIR、XRD等多重表征确认掺杂效果；使用模拟体液(SBF)浸泡法构建仿生涂层；借助SEM和原子力显微镜(AFM)分析表面形貌；最后采用菌落计数(CFU)和结晶紫染色法评估抗菌及抗生物膜性能。

【3. 结果】

3.1 材料表征：UV显示钙掺杂使吸收峰红移至356nm；XRD证实掺杂后晶体结构保持但峰强减弱；Zeta电位由+14.55mV变为-10.85mV；AFM显示掺杂后表面粗糙度(Ra)从0.31nm增至2.80nm。

3.2 涂层分析：SEM显示14天处理组形成多孔结构，钙磷晶体中均匀嵌有纳米颗粒；光学显微镜显示处理组呈现明显颗粒分布异质性。

3.3 抗菌性能：14天Ca/ZnO涂层组对S. aureus的抑制效果显著(p<0.0001)，CFU计数最低；结晶紫实验证实其抗生物膜效果优于7天处理组和纯ZnO组。

【4. 讨论与结论】

该研究创新性地将钙的骨整合优势与锌的抗菌特性相结合。钙掺杂不仅通过改变ZnO晶格增强抗菌性，其释放的Ca²⁺还能促进成骨细胞附着。SEM揭示的钠粒子分布为涂层稳定性提供了新见解。14天形成的多孔结构既增加了比表面积，又通过持续离子释放实现长效抗菌，完美规避了银纳米粒的毒性隐患。

这项研究为硬组织植入体感染防治提供了双重保障方案：物理上通过粗糙表面阻碍细菌定植，化学上通过Zn²⁺/Ca²⁺协同作用破坏生物膜。未来若能在大型动物实验中验证其长期稳定性，这种"抗菌-促骨整合"双功能涂层有望改写临床植入体感染防治指南。研究团队在文末特别指出，下一步将探索不同钙掺杂浓度对涂层性能的影响，并计划开展跨学科合作，将该技术拓展至心血管支架等其它植入器械领域。