S.Y. 黄 | C.K. 陈 | J.C. 黄
本研究采用磁控溅射技术制备了含有6原子%和12原子%银的TiZrAg合金薄膜，以不含银的Ti-Zr薄膜作为对照。目的是探讨不同银含量对涂层抗菌性能和抗生物腐蚀性的影响。实验结果表明，银含量的增加显著提升了Ti-Zr-Ag涂层的抗菌效果。含有6原子%银的薄膜已显示出明显的抗菌效果，而含有12原子%银的薄膜进一步增强了这些性能，证实了较高银浓度对抗菌活性的积极作用。抗菌效果的提升归因于银离子（Ag+）释放量的增加、薄膜晶粒尺寸从114纳米减小到42纳米、表面粗糙度从5.7纳米降低到2.8纳米以及水接触角从69.2度增加到87.4度。这些涂层在含氯的盐水消毒环境中也表现出优异的抗生物腐蚀性和长期稳定性。总体而言，这些Ti-Zr-Ag涂层在医疗器械表面功能化方面具有巨大潜力。
在医疗器械设计中，表面涂层技术往往比修改材料本身具有显著优势。直接改变材料的成分或结构不仅涉及复杂且成本高昂的制造过程，还会对材料的机械性能和稳定性产生不利影响。相比之下，表面涂层提供了更大的灵活性和经济性，可以选择不同的涂层材料和技术来实现特定功能，从而提高医疗器械在临床应用中的可靠性和性能[1]。最近在生物医学涂层研究方面的进展表明，纳米级表面工程可以增强细胞相互作用、减少血栓形成反应并改善设备的长期性能，这突显了功能性涂层在临床应用中的重要性[2]。
实现表面涂层的方法有多种，包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和电泳沉积（EPD）等。在各种涂层材料中，除了聚合物和陶瓷外，某些金属涂层因其出色的抗菌和抗腐蚀性能而受到特别关注。然而，并非所有金属都具有理想的生物相容性，因此选择能够平衡功能性能与生物相容性的适当金属涂层以满足医疗应用的要求至关重要[3]。
抗菌金属涂层可以防止细菌附着和生物膜的形成，降低感染风险并提高常用医疗器械的安全性。此外，这些抗菌涂层可以应用于商用304/316不锈钢或Ti-6Al-4V部件（如公共交通中的管道或扶手），为公共空间提供额外的抗菌保护层。抗腐蚀金属涂层还能有效抵御体液和腐蚀性物质，从而延长医疗器械的使用寿命[4]。此外，含有生物活性元素的金属涂层可以促进组织修复和再生，支持愈合过程[5]。通过整合抗菌、抗腐蚀和生物活性特性，多功能金属涂层可以全面改善医疗器械和设备的性能，从而带来更好的临床效果和更好的患者护理。这些进展凸显了金属涂层在现代医疗环境中的价值和潜力。
医疗器械引起的感染通常源于其表面形成的生物膜。生物膜不仅保护细菌免受宿主免疫系统的攻击，还增加了它们对抗生素治疗的抵抗力，使得感染难以治疗，并可能导致严重的并发症。为了解决这个问题，研究人员开发了抗菌涂层、药物输送系统和表面改性技术，以提高医疗器械抵抗细菌附着和生长的能力[6]。具有抗菌特性的医疗器械通过表面涂层或材料改性来降低感染风险。与传统抗生素治疗相比，这些方法提供了持续的抗菌效果，同时减少了抗生素的使用，从而降低了抗菌素耐药性的风险。这些特性有助于提高医疗器械的长期安全性和可靠性，凸显了它们在未来应用中的潜力[7]。
随着抗生素耐药性问题日益严重，开发具有增强抗菌性能的材料已成为关键焦点。抗菌金属元素在医疗应用中发挥着重要作用，常见的例子包括银（Ag）、铜（Cu）和金（Au）[8,9]。由于银出色的抗菌特性，它被广泛用于各种医疗器械；然而，纯银涂层在机械性能上存在某些局限性。这促使人们尝试将银与其他金属结合形成合金薄膜，以同时提升抗菌性能和机械性能。
最近关于生物医学钛基材料的研究主要集中在为承重应用设计的块体合金的开发上，其中机械可靠性、抗疲劳性和长期结构稳定性被认为是关键要求。综合评述强调，由于钛基合金具有良好的强度重量比、耐腐蚀性和生物相容性，它们仍然是骨科和牙科应用的主要材料系统，研究工作主要集中在优化块体合金成分以满足苛刻的机械和临床条件[10]。
同时，大量研究致力于广泛使用的Ti-6Al-4V合金的表面改性策略，旨在在不改变其核心机械性能的情况下克服块体材料的固有局限性。系统探索了各种表面工程方法，包括物理、化学和生物改性技术，以改善耐腐蚀性、耐磨性、抗菌性能和生物反应。最近的综述强调，表面改性是提高Ti-6Al-4V在生物医学环境中多功能性能的有效途径，尤其是在复杂的生理条件下[11]。
银的优异抗菌性能依赖于银离子（Ag+的释放，这些离子会破坏微生物的DNA和蛋白质结构，从而抑制微生物生长[12,13]。实验数据表明，Ti-Ag涂层在24小时内有效抑制了大肠杆菌（Escherichia coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的生长[14]。与Ti-Cu涂层不同，Ti-Ag涂层中的银离子释放速率相对较低。这一特性有助于提高材料的长期稳定性，减少离子耗尽对其结构完整性的潜在影响。
316L医用级不锈钢或商用Ti-6Al-4V合金（用于骨科和牙科应用）上常见的生物相容性金属涂层通常采用Ti和/或Zr体系，因为它们具有出色的生物相容性和耐腐蚀性。Ti和Zr的结合不仅增强了材料的机械强度和耐用性，还保持了其在生物医学应用中的潜力[15]。根据先前的研究，原子比为1:1的Ti-Zr合金在块体材料测试中表现出良好的硬度。为了简化研究，本研究也采用Ti-Zr合金作为基准参考。因此，本研究专门探讨了向Ti-Zr合金薄膜中添加6原子%和12原子%银的效果，以0原子%银的基膜作为对照。通过研究这两种银含量，我们旨在找到最大化抗菌效果与保持理想机械性能之间的最佳平衡。本研究的结果将有助于优化医疗器械的设计并推进抗菌材料的临床应用。
