长安大学、西安理工大学等Appl. Surf. Sci.|原位合成抑菌复合膜层实现生物医用钛合金性能间的协同

一、导读

钛合金因其优良的耐腐蚀性能和生物相容性被认为是理想的植入材料。然而，就植入体而言，植入后表面生物膜的形成和材料降解产生的有害物质是诱发功能性种植体周围组织炎症的危险因素，极易造成种植体周围骨组织破坏丧失。因此，如何避免植入前期的细菌粘附和后期的磨损损伤是改善植入效果的关键问题。钛合金较差的抑菌性和耐磨性使其容易遭受腐蚀和磨损的同时作用，从而导致植入物在人体环境中的协同降解，以及植入后的炎症反应和失效，这限制了钛合金在生物医学领域的应用。现阶段迫切需要找到一种表面处理技术，解决生物医用钛合金抑菌性和腐蚀磨损性能之间的协同作用。

二、成果掠影

近日，来自长安大学陈永楠教授团队与西安理工大学汤玉斐教授团队联合原位设计了Cu_xO/TiO₂生物抑菌膜层并研究了生物性能和腐蚀磨损行为之间的协同效应。通过等离子体电解氧化(PEO)方法在钛合金表面原位引入抑菌剂CuO和Cu₂O，有效提高材料的耐蚀、耐磨、生物相容性以及抑菌性能。膜层表面分布的Cu_xO呈现无毒性并对金黄色葡萄球菌具有良好的抑菌性能和长期抗菌性，同时兼具较好的减摩性。研究结果对抑菌抗菌膜层的设计和制备提供了理论依据，Cu_xO原位制备技术的发展有望为植入钛合金抑菌耐腐蚀磨损膜层的应用提供更多的机会。相关论文以题为“Biological performance and tribocorrosion behavior of in-situ synthesized Cu_xO/TiO₂ coatings”发表在Applied Surface Science期刊上。论文第一作者为长安大学硕士研究生何斌斌和辛程，通讯作者为长安大学陈永楠教授和赵秦阳博士及西安理工大学汤玉斐教授，合作者还包括长安大学徐义库教授、西北有色金属研究院的赵永庆教授和西部钛业有限责任公司的侯志敏教授等。

三、核心创新点

1、Cu_xO/TiO₂涂层无细胞毒性，同时对金黄色葡萄球菌具有显著的抑菌性能。

2、腐蚀磨损过程中促进羟基磷灰石和CuO的形成，降低了涂层表面的磨损。

3、滑动过程加速Cu在磨损表面的富集，提高了涂层的长期抑菌性。

四、数据概览

图1. Cu_xO/TiO₂膜层的形成过程表征及示意图：(a) 时间-电压曲线；(b) PEO过程中的等离子体放电图像；(c) Cu_xO相掺入TiO₂层的机理示意图。

图2. Cu_xO/TiO₂膜层表面细胞毒性试验及细胞形态：(a) 光密度值；(b) 相对增长率；(c) 培养1天后的PEO膜层，(d)培养5天后的PEO膜层，(e)培养1天后的PEO-Cu^7g/L膜层和(f) 培养5天后的PEO-Cu^7g/L膜层的成骨样细胞MG-63形态。

图3. 培养10 h、24 h、48 h后表面S. aureus细菌形态及抑菌机制示意图：(a) PEO膜层；(b) PEO-Cu^7g/L膜层；(c) 接触抑菌示意图(左图为细菌膜破裂)。

图4. 腐蚀磨损后PEO-Cu^7g/L磨损表面分析及抑菌效果表征：(a) 磨损表面元素分布；(b) Cu 2p、(c) Ca 2p和(d) P 2p的元素价态分析；(e) PEO-Cu^7g/L膜层在腐蚀磨损试验前后的接触角和抑菌率演变。

五、成果启示

综上所述，本文在钛合金表面原位设计了Cu_xO/TiO₂膜层作为植入体无细胞毒性，同时显著提升了对金黄色葡萄球菌的抑菌性能。抑菌活性与膜层表面的Cu含量成正比，Cu_xO/TiO₂膜层在培养48 h时抑菌率超过99%。同时，该膜层具备优异的耐腐蚀磨损性能，滑动过程促进了Cu的富集和羟基磷灰石在磨损表面的沉积，并促使Cu₂O向CuO转化。这有效地阻止膜层与摩擦副之间的直接接触，从而降低了磨损损伤，而且高的表面Cu含量增强了Cu_xO/TiO₂膜层的长期抑菌活性。预计此原位抑菌膜层的制备，为解决植入体抑菌和腐蚀磨损行为的协同作用提供了新思路，显著提高了抑菌植入体的应用潜力。

原文链接：

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

本文由作者供稿。