01 【導(dǎo)讀】

鈦合金因其優(yōu)良的耐腐蝕性能和生物相容性被認(rèn)為是理想的植入材料。然而，就植入體而言，植入后表面生物膜的形成和材料降解產(chǎn)生的有害物質(zhì)是誘發(fā)功能性種植體周?chē)M織炎癥的危險(xiǎn)因素，極易造成種植體周?chē)墙M織破壞喪失。因此，如何避免植入前期的細(xì)菌粘附和后期的磨損損傷是改善植入效果的關(guān)鍵問(wèn)題。鈦合金較差的抑菌性和耐磨性使其容易遭受腐蝕和磨損的同時(shí)作用，從而導(dǎo)致植入物在人體環(huán)境中的協(xié)同降解，以及植入后的炎癥反應(yīng)和失效，這限制了鈦合金在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。現(xiàn)階段迫切需要找到一種表面處理技術(shù)，解決生物醫(yī)用鈦合金抑菌性和腐蝕磨損性能之間的協(xié)同作用。

02 【成果掠影】

近日，來(lái)自長(zhǎng)安大學(xué)陳永楠教授團(tuán)隊(duì)與西安理工大學(xué)湯玉斐教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合原位設(shè)計(jì)了CuxO/TiO2生物抑菌膜層并研究了生物性能和腐蝕磨損行為之間的協(xié)同效應(yīng)。通過(guò)等離子體電解氧化(PEO)方法在鈦合金表面原位引入抑菌劑CuO和Cu2O，有效提高材料的耐蝕、耐磨、生物相容性以及抑菌性能。膜層表面分布的CuxO呈現(xiàn)無(wú)毒性并對(duì)金黃色葡萄球菌具有良好的抑菌性能和長(zhǎng)期抗菌性，同時(shí)兼具較好的減摩性。研究結(jié)果對(duì)抑菌抗菌膜層的設(shè)計(jì)和制備提供了理論依據(jù)，CuxO原位制備技術(shù)的發(fā)展有望為植入鈦合金抑菌耐腐蝕磨損膜層的應(yīng)用提供更多的機(jī)會(huì)。相關(guān)論文以題為“Biological performance and tribocorrosion behavior of in-situ synthesized CuxO/TiO2 coatings”發(fā)表在Applied Surface Science期刊上。論文第一作者為長(zhǎng)安大學(xué)碩士研究生何斌斌和辛程，通訊作者為長(zhǎng)安大學(xué)陳永楠教授和趙秦陽(yáng)博士及西安理工大學(xué)湯玉斐教授，合作者還包括長(zhǎng)安大學(xué)徐義庫(kù)教授、西北有色金屬研究院的趙永慶教授和西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司的侯智敏教授等。

03 【核心創(chuàng)新點(diǎn)】

1、CuxO/TiO2涂層無(wú)細(xì)胞毒性，同時(shí)對(duì)金黃色葡萄球菌具有顯著的抑菌性能。

2、腐蝕磨損過(guò)程中促進(jìn)羥基磷灰石和CuO的形成，降低了涂層表面的磨損。

3、滑動(dòng)過(guò)程加速Cu在磨損表面的富集，提高了涂層的長(zhǎng)期抑菌性。

04 【數(shù)據(jù)概覽】

圖1. CuxO/TiO2膜層的形成過(guò)程表征及示意圖：(a) 時(shí)間-電壓曲線(xiàn)；(b) PEO過(guò)程中的等離子體放電圖像；(c) CuxO相摻入TiO2層的機(jī)理示意圖。

圖2. CuxO/TiO2膜層表面細(xì)胞毒性試驗(yàn)及細(xì)胞形態(tài)：(a) 光密度值；(b) 相對(duì)增長(zhǎng)率；(c) 培養(yǎng)1天后的PEO膜層，(d)培養(yǎng)5天后的PEO膜層，(e)培養(yǎng)1天后的PEO-Cu7g/L膜層和(f) 培養(yǎng)5天后的PEO-Cu7g/L膜層的成骨樣細(xì)胞MG-63形態(tài)。

圖3. 培養(yǎng)10 h、24 h、48 h后表面S. aureus細(xì)菌形態(tài)及抑菌機(jī)制示意圖：(a) PEO膜層；(b) PEO-Cu7g/L膜層；(c) 接觸抑菌示意圖(左圖為細(xì)菌膜破裂)。

圖4. 腐蝕磨損后PEO-Cu7g/L磨損表面分析及抑菌效果表征：(a) 磨損表面元素分布；(b) Cu 2p、(c) Ca 2p和(d) P 2p的元素價(jià)態(tài)分析；(e) PEO-Cu7g/L膜層在腐蝕磨損試驗(yàn)前后的接觸角和抑菌率演變。

05 【成果啟示】

綜上所述，本文在鈦合金表面原位設(shè)計(jì)了CuxO/TiO2膜層作為植入體無(wú)細(xì)胞毒性，同時(shí)顯著提升了對(duì)金黃色葡萄球菌的抑菌性能。抑菌活性與膜層表面的Cu含量成正比，CuxO/TiO2膜層在培養(yǎng)48 h時(shí)抑菌率超過(guò)99%。同時(shí)，該膜層具備優(yōu)異的耐腐蝕磨損性能，滑動(dòng)過(guò)程促進(jìn)了Cu的富集和羥基磷灰石在磨損表面的沉積，并促使Cu2O向CuO轉(zhuǎn)化。這有效地阻止膜層與摩擦副之間的直接接觸，從而降低了磨損損傷，而且高的表面Cu含量增強(qiáng)了CuxO/TiO2膜層的長(zhǎng)期抑菌活性。預(yù)計(jì)此原位抑菌膜層的制備，為解決植入體抑菌和腐蝕磨損行為的協(xié)同作用提供了新思路，顯著提高了抑菌植入體的應(yīng)用潛力。

原文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.154096