作者：Di Ruoyu | Hang Ruiyue | Chen Huanming | Yang Liwei | Zhao Yuyu | Yao Xiaohong | Hang Ruiqiang
中国太原理工大学材料科学与工程学院生物医学金属材料山西省重点实验室，太原 030024
摘要
在钛（Ti）植入物的临床应用中，感染和松动仍然是两个重要的挑战。氧化锌（ZnO）纳米结构涂层具有显著的抗菌性能和成骨潜力，但其不稳定性导致的生理毒性需要得到改善。在这项工作中，通过磁控溅射结合两步水热处理，在Ti植入物表面制备了ZnO/磷酸锌（Zn₃(PO₄)₂）复合微/纳米级花状结构涂层，以解决这些问题。结果表明，随着第二种水热前驱体（磷酸二钾）浓度的增加，复合微/纳米结构变得更大，同时涂层也变得更亲水。此外，复合涂层表现出优异的抗菌性能，能够诱导巨噬细胞向抗炎和促愈合的M2表型极化，并促进骨髓间充质干细胞的成骨分化。这种表面改性策略利用ZnO部分转化为Zn₃(PO₄)₂来平衡Ti植入物的抗菌和细胞调节性能，对临床应用具有很大的潜力。
引言
全球人口老龄化进程显著加快，导致骨科疾病增多和对假体替代品的需求增加[1,2]。由于钛（Ti）基材料具有优异的强度和生物相容性，已成为骨科和牙科领域植入性金属材料的主要选择[[3], [4], [5], [6], [7]]。然而，植入物感染和松动仍然是Ti植入物临床应用中的两个重要挑战[8,9]。植入物感染是由细菌在植入物表面附着和形成生物膜引起的。细菌生物膜会削弱宿主的免疫反应，破坏正常的骨免疫微环境，从而影响骨再生并导致植入失败[10]。通过对Ti植入物表面进行改性，赋予其特定的表面界面生物活性，可以帮助它们应对复杂的生理和病理环境。然而，目前大多数研究往往只关注Ti植入物表面的抗菌性能或促成骨活性，而没有同时考虑这两者[[11], [12], [13], [14]]。例如，虽然研究表明银纳米颗粒涂层具有强大的抗菌活性，但其细胞毒性和对成骨的负面影响仍是一个问题[15,16]。相反，用骨形态发生蛋白-2（BMP-2）功能化的涂层在促进成骨分化方面表现出色，但可能缺乏内在的抗菌性能，从而增加植入相关感染的风险[17]。此外，免疫调节在建立有利于骨再生的微环境中的关键作用常常被忽视。传统的策略无法同时解决细菌感染、炎症失控和骨整合不足这三个问题。因此，赋予Ti植入物表面抗菌和促骨整合性能可以大大提高植入成功率，但这也是设计Ti植入物表面面临的一个主要挑战。
对植入物与骨组织之间关系的理解是一个持续的过程。最初，许多研究关注材料对成骨的直接影响，旨在改善成骨分化和骨样组织的形成[18,19]。然而，骨整合是一个复杂的过程，涉及一系列复杂的生物过程，包括炎症反应、血管生成、成骨和复杂的细胞间相互作用[20,21]。术后早期，免疫系统首先发起攻击，免疫细胞被招募到植入物表面，从而引发炎症[22]。作为免疫反应中的关键角色，巨噬细胞可以根据外部环境刺激表现出多种极化表型，如促炎的M1表型和抗炎的M2表型。及时有效地将巨噬细胞从M1极化表型转换为M2表型对于随后的骨组织再生至关重要[23,24]。M2表型的巨噬细胞可以分泌抗炎细胞因子（如白细胞介素-10（IL-10）和转化生长因子-β1（TGF-β1））来减轻炎症，同时释放与成骨相关的因子（如血管内皮生长因子（VEGF）和骨形态发生蛋白-2（BMP2））以获得有利于骨形成的骨免疫微环境[25]。因此，Ti植入物表面的功能化设计也需要考虑其免疫调节能力。
表面形貌可以影响细胞的粘附、形态、增殖和分化，从而影响细胞的功能和命运[26]。先前的研究表明，植入物表面粗糙度和形貌的变化可以调节巨噬细胞的表型极化、炎症反应和功能[27,28]。Ma等人在Ti植入物表面制备二氧化钛纳米结构，直接调节了巨噬细胞的极化，从而抑制了炎症反应[29]。同时，大量研究表明各向异性的有序图案化表面可以诱导成骨分化并促进骨形成[[30], [31], [32]]。因此，通过Ti植入物表面形貌调节免疫反应和成骨可以促进骨整合。
氧化锌（ZnO）纳米结构因其低成本和易于合成而受到关注，目前的研究表明，ZnO纳米棒通过物理应力和锌离子（Zn²⁺）释放的协同效应可以防止细菌感染，这在一定程度上超过了传统的临床治疗方法（如使用抗生素）[33,34]。同时，作为人体中的必需微量元素，Zn²⁺可以诱导生物体内碱性磷酸酶（ALP）和胶原蛋白的合成，在骨组织的形成、矿化、维持和发展中起重要作用[35,36]。然而，有研究发现ZnO纳米棒在生理环境中不稳定[37]。Zn²⁺的剧烈释放会损伤正常组织细胞，导致细胞产生过多的活性氧（ROS），从而损害细胞内的核酸和蛋白质，因此需要对ZnO纳米棒进行进一步改性[38,39]。受到构建复合/异质结构以利用协同效应实现性能优化的概念启发，我们的工作专注于基于ZnO纳米棒涂层的复合成分和结构的涂层构建[[40], [41], [42], [43], [44]]。作为Zn基材料降解过程中的主要产物，磷酸锌（Zn₃(PO₄)₂）表现出优异的生物相容性，并显著减少了降解过程中Zn²⁺的释放[45,46]。因此，构建ZnO和Zn₃(PO₄)₂复合涂层有望使Ti植入物同时保持抗菌和促进成骨的性能。
在这项工作中，我们首先通过磁控溅射和水热处理在Ti基底表面制备了致密的ZnO纳米棒结构涂层。随后，使用磷酸二钾（K₂HPO₄）作为反应溶液，将ZnO部分转化为Zn₃(PO₄)₂，从而制备了ZnO/Zn₃(PO₄)₂复合微/纳米结构涂层。我们发现，复合涂层表现出优异的抗菌能力，并能诱导巨噬细胞向抗炎和促愈合的M2表型极化，从而产生有利于成骨的免疫微环境。复合涂层还显著促进了骨髓间充质干细胞（BMSCs）的增殖和成骨分化。这项研究展示了一种多维度的方法，可以同时调节免疫反应、抑制细菌感染和促进骨再生。该研究强调了微/纳米形貌和复合成分在调节细胞行为中的协同作用，为Ti植入物的临床应用设计提供了范例。
材料
研究中使用的99.99%纯度的Ti箔被切割成2×4厘米的片状，然后在无水乙醇和去离子水中分别超声清洗15分钟，并在空气中干燥。清洗后的Ti样品用含有HNO₃、HF和H₂O（体积比为1:1:2）的混合溶液冲洗10秒，再用去离子水超声清洗5分钟，作为对照组（Ti）。
样品制备和表征
通过磁控溅射在Ti表面制备了ZnO纳米种子层
样品表征
图1A概述了样品制备过程的简化流程图。首先，通过磁控溅射（MS）在Ti基底表面沉积ZnO纳米种子层，为后续纳米棒的成核和生长奠定基础。随后，通过水热处理（HT）培养出致密均匀的ZnO纳米棒层（标记为Ti–ZnO）。在第二次K₂HPO₄溶液中的水热处理过程中，部分ZnO溶解并发生了转化
结论
总之，通过磁控溅射和两步水热处理制备了ZnO/Zn₃(PO₄)₂复合微/纳米结构涂层，其中ZnO部分转化为Zn₃(PO₄)₂。复合涂层表现出优异的抗菌活性，促进了巨噬细胞向抗炎M2表型的极化，并增强了骨髓间充质干细胞的成骨分化。这项研究提出了一种多功能表面改性策略，结合了...
CRediT作者贡献声明
Di Ruoyu：撰写——原始草稿、可视化、方法学、研究、数据管理。Hang Ruiyue：验证、资源获取、方法学、数据管理。Chen Huanming：验证、资源获取、方法学、数据管理。Yang Liwei：验证、资源获取、方法学、数据管理。Zhao Yuyu：撰写——审稿与编辑、方法学、概念化。Yao Xiaohong：监督、项目管理、资金获取、概念化。Hang Ruiqiang：撰写——审稿与编辑
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
这项工作得到了山西省中央领导科学技术发展基金（YDZJSX2024B002）、山西省自然科学基金（202203021211173）和山西省科技合作与交流专项项目（202404041101019）的共同支持。
