長安大學、西安理工大學等Appl. Surf. Sci.|原位合成抑菌復合膜層實現生物醫用鈦合金性能間的協同

一、導讀

鈦合金因其優良的耐腐蝕性能和生物相容性被認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生的有害物質是誘發功能性種植體周圍組織炎癥的危險因素，極易造成種植體周圍骨組織破壞喪失。因此，如何避免植入前期的細菌粘附和后期的磨損損傷是改善植入效果的關鍵問題。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作用，從而導致植入物在人體環境中的協同降解，以及植入后的炎癥反應和失效，這限制了鈦合金在生物醫學領域的應用。現階段迫切需要找到一種表面處理技術，解決生物醫用鈦合金抑菌性和腐蝕磨損性能之間的協同作用。

二、成果掠影

近日，來自長安大學陳永楠教授團隊與西安理工大學湯玉斐教授團隊聯合原位設計了Cu_xO/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同效應。通過等離子體電解氧化(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Cu_xO呈現無毒性并對金黃色葡萄球菌具有良好的抑菌性能和長期抗菌性，同時兼具較好的減摩性。研究結果對抑菌抗菌膜層的設計和制備提供了理論依據，Cu_xO原位制備技術的發展有望為植入鈦合金抑菌耐腐蝕磨損膜層的應用提供更多的機會。相關論文以題為“Biological performance and tribocorrosion behavior of in-situ synthesized Cu_xO/TiO₂?coatings”發表在Applied Surface Science期刊上。論文第一作者為長安大學碩士研究生何斌斌和辛程，通訊作者為長安大學陳永楠教授和趙秦陽博士及西安理工大學湯玉斐教授，合作者還包括長安大學徐義庫教授、西北有色金屬研究院的趙永慶教授和西部鈦業有限責任公司的侯志敏教授等。

三、核心創新點

1、Cu_xO/TiO₂涂層無細胞毒性，同時對金黃色葡萄球菌具有顯著的抑菌性能。

2、腐蝕磨損過程中促進羥基磷灰石和CuO的形成，降低了涂層表面的磨損。

3、滑動過程加速Cu在磨損表面的富集，提高了涂層的長期抑菌性。

四、數據概覽

圖1.?Cu_xO/TiO₂膜層的形成過程表征及示意圖：(a) 時間-電壓曲線；(b) PEO過程中的等離子體放電圖像；(c) Cu_xO相摻入TiO₂層的機理示意圖。

圖2. Cu_xO/TiO₂膜層表面細胞毒性試驗及細胞形態：(a) 光密度值；(b) 相對增長率；(c) 培養1天后的PEO膜層，(d)培養5天后的PEO膜層，(e)培養1天后的PEO-Cu^7g/L膜層和(f) 培養5天后的PEO-Cu^7g/L膜層的成骨樣細胞MG-63形態。

圖3.?培養10 h、24 h、48 h后表面S. aureus細菌形態及抑菌機制示意圖：(a) PEO膜層；(b) PEO-Cu^7g/L膜層；(c) 接觸抑菌示意圖(左圖為細菌膜破裂)。

圖4.?腐蝕磨損后PEO-Cu^7g/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的元素價態分析；(e) PEO-Cu^7g/L膜層在腐蝕磨損試驗前后的接觸角和抑菌率演變。

五、成果啟示

綜上所述，本文在鈦合金表面原位設計了Cu_xO/TiO₂膜層作為植入體無細胞毒性，同時顯著提升了對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，Cu_xO/TiO₂膜層在培養48 h時抑菌率超過99%。同時，該膜層具備優異的耐腐蝕磨損性能，滑動過程促進了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含量增強了Cu_xO/TiO₂膜層的長期抑菌活性。預計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同作用提供了新思路，顯著提高了抑菌植入體的應用潛力。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.154096

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