银锌共掺杂β-磷酸三钙/钛酸钡/胶原复合支架的制备及其抗菌与成骨性能研究

本研究针对β-磷酸三钙(β-TCP)缺乏抗菌性的问题，通过喷雾热解和冷冻干燥技术制备了Ag/Zn共掺杂β-TCP/BT/COL复合支架。结果表明，2.9 mol% Ag/Zn共掺杂支架对大肠杆菌抗菌率达99.65%，细胞活性达94.59%，同时保持优异的力学性能和孔隙结构，为骨组织工程提供了兼具抗菌和成骨功能的新型材料。

　　

在骨缺损修复领域，传统β-磷酸三钙(β-TCP)支架虽具有优异的骨传导性，却面临两大挑战：一是缺乏抗菌性易导致术后感染，二是单一金属掺杂（如银或锌）往往难以兼顾抗菌效果与生物相容性。术后感染是骨科植入物失败的主因之一，而现有解决方案如高浓度银掺杂虽能增强抗菌性，却可能引发细胞毒性。如何开发兼具高效抗菌、良好生物相容性和力学性能的骨修复材料，成为亟待突破的科学难题。

台湾科技大学的Dwi Fortuna Anjusa Putra团队在《Applied Surface Science Advances》发表的研究，创新性地采用喷雾热解结合冷冻干燥技术，构建了银(Ag)、锌(Zn)单掺杂及Ag/Zn共掺杂的β-TCP/钛酸钡(BT)/胶原(COL)复合支架体系。通过系统比较不同掺杂策略对材料性能的影响，发现Ag/Zn共掺杂可协同提升材料的综合性能：Ag提供强效抗菌作用，Zn则中和Ag的毒性并促进成骨细胞增殖，二者协同实现了抗菌-成骨双功能优化。

研究采用喷雾热解法制备纯β-TCP及不同浓度Ag、Zn掺杂粉末，随后与BT、胶原混合通过冷冻干燥构建多孔支架。通过X射线衍射(XRD)分析相组成，扫描电镜(SEM)观察形貌，汞孔隙仪测定孔隙率，万能试验机测试力学性能，并采用大肠杆菌抗菌实验和MC3T3-E1细胞MTT实验评价生物学性能。

形貌与结构特征

所有支架均呈现立方体形貌，Ag掺杂使表面粗糙度增加且颜色变深，而Zn掺杂支架保持光滑表面。XRD显示所有支架均含β-TCP和BT两相，未检测到Ag/Zn衍射峰，表明金属离子成功掺入晶格。SEM显示支架具有10-30 μm的互通孔隙，满足骨组织长入需求。

孔隙与力学性能

孔隙率测定显示所有支架孔隙率达86-89%，平均孔径17-24 μm，掺杂未显著改变多孔结构。力学测试发现纯β-TCP/BT/COL支架抗压强度最高（1.83 MPa），金属掺杂后强度降低，但Ag/Zn共掺杂支架（1.03 MPa）仍显著高于纯胶原支架（0.08 MPa）。研究指出，Ag⁺离子半径（165 pm）大于Ca²⁺（99 pm）导致晶格膨胀，而Zn²⁺（74 pm）的掺入可部分抵消这种效应。

抗菌与细胞活性

抗菌实验显示5.8 mol% Ag掺杂和Ag/Zn共掺杂支架对大肠杆菌抗菌率均超99%，显著优于Zn掺杂支架（10-17%）。细胞实验发现高浓度Ag（5.8 mol%）导致细胞活性骤降至24.27%，而Zn掺杂支架活性达143.87%。值得注意的是，2.9 mol% Ag/Zn共掺杂支架在保持99.65%抗菌率的同时，细胞活性达94.59%，实现了安全性与有效性的平衡。

讨论与结论

该研究首次在β-TCP/BT/COL体系中引入Ag/Zn共掺杂策略，通过离子半径差异调控材料性能：Ag⁺通过破坏细菌膜、干扰DNA和产生活性氧(ROS)发挥抗菌作用；Zn²⁺则通过促进成骨相关基因表达增强生物活性。二者协同不仅解决了单一金属掺杂的局限性，还通过优化掺杂浓度（2.9 mol%）避免了高浓度Ag的毒性问题。这种"抗菌-成骨"双功能支架为感染性骨缺损修复提供了新材料选择，其采用的喷雾热解-冷冻干燥联合工艺也为多功能生物材料制备提供了新思路。

研究最终确定2.9 mol% Ag/Zn共掺杂β-TCP/BT/COL支架为最优方案，其抗菌率>99%、细胞活性>90%、抗压强度>1 MPa、孔隙率>87%，各项指标均满足临床需求。该成果标志着骨组织工程材料从单一功能向"抗感染-促修复"一体化设计的重要跨越，为后续智能响应型支架开发奠定了理论基础。