铜锶二元掺杂硅酸钙涂层改性钛合金的促成骨和抗菌效应

doi:10.12307/2025.464

中国组织工程研究 ›› 2025, Vol. 29 ›› Issue (22): 4639-4646.doi: 10.12307/2025.464

• 组织工程骨材料 tissue-engineered bone • 上一篇下一篇

铜锶二元掺杂硅酸钙涂层改性钛合金的促成骨和抗菌效应

程新奇，邵龙辉，沈华侨，刘宏伟

1南京医科大学附属常州第二人民医院骨科，南京医科大学常州医学中心，江苏省常州市 213003；2大连医科大学研究生院，辽宁省大连市 116044

收稿日期:2024-04-08 接受日期:2024-06-28 出版日期:2025-08-08 发布日期:2024-10-08
通讯作者: 刘宏伟，主任医师，南京医科大学附属常州第二人民医院骨科，南京医科大学常州医学中心，江苏省常州市 213003
作者简介:程新奇，男，1995年生，四川省眉山市人，汉族，南京医科大学在读硕士，医师，主要从事 3D 打印、骨缺损修复、骨组织工程研究。
基金资助:
常州市引进外国人才专项计划(前资助)项目(CQ20214029)，项目负责人：刘宏伟

Osteogenic and antibacterial effects of titanium alloy modified with copper-strontium binary doped calcium silicate coating

Cheng Xinqi1, Shao Longhui2, Shen Huaqiao2, Liu Hongwei1

1Department of Orthopedics, Affiliated Changzhou No. 2 People’s Hospital of Nanjing Medical University, Changzhou Medical Center of Nanjing Medical University, Changzhou 213003, Jiangsu Province, China; 2Graduate School, Dalian Medical University, Dalian 116044, Liaoning Province, China

Received:2024-04-08 Accepted:2024-06-28 Online:2025-08-08 Published:2024-10-08
Contact: Liu Hongwei, Chief physician, Department of Orthopedics, Affiliated Changzhou No. 2 People’s Hospital of Nanjing Medical University, Changzhou Medical Center of Nanjing Medical University, Changzhou 213003, Jiangsu Province, China
About author:Cheng Xinqi, Master candidate, Physician, Department of Orthopedics, Affiliated Changzhou No. 2 People’s Hospital of Nanjing Medical University, Changzhou Medical Center of Nanjing Medical University, Changzhou 213003, Jiangsu Province, China
Supported by:
Changzhou Introduction of Foreign Talents Special Program, No. CQ20214029 (to LHW)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
等离子喷涂技术：是一种以等离子电弧为热源的热喷涂技术，该技术具有操作简单、沉积速度快、容易得到较厚涂层等优点。
生物膜：指附着于有生命或无生命物体表面被细菌胞外大分子包裹的有组织的细菌群体，对抗生素和宿主免疫防御机制有很强的抵抗性。

背景：钛合金作为骨科植入物时缺乏生物活性，可导致种植体松动和假体周围感染，因此，研究一种兼顾促成骨和抗感染复合功能的钛合金表面改性方法具有重要意义。
目的：研究铜、锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金的理化性质，评估其促成骨和抗菌方面的潜能。
方法：采用球磨、造粒方法制备含有氧化铜、氧化锶及硅酸钙的复合粉末，采用大气等离子喷涂技术在钛合金(Ti6Al4V)表面制备铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层，对复合涂层进行表征。将钛合金浸提液、硅酸钙涂层改性钛合金浸提液、铜掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金浸提液、铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金浸提液分别与MC3T3-E1细胞共培养，检测材料的生物安全性与促成骨性能。将金黄色葡萄球菌(或大肠埃希菌)分别与钛合金、硅酸钙涂层改性钛合金、铜掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金、铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金共培养，扫描电镜、平板计数法检测材料的体外抗菌性能。
结果与结论：①扫描电子显微镜下可见铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层粗糙表面存在大量的纳米结构，该复合涂层成功喷涂在钛合金表面，在体外可缓释Sr2+和Cu2+，并且Sr2+的释放浓度大于Cu2+；②CCK-8和细胞活死染色结果显示，铜掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金具有一定的细胞毒性，硅酸钙涂层与铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金具有良好的生物相容性；碱性磷酸酶与茜素红染色结果显示，相较于钛合金、硅酸钙涂层改性钛合金，铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金表现出更优的促成骨性能；③扫描电镜观察、细菌涂布和细菌计数法结果表明，相较于钛合金、硅酸钙涂层改性钛合金，铜掺杂硅酸钙复合涂层与铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金能有效抑制金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌的生长，表现出抗菌潜能；④结果表明，铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛片具备良好的生物相容性、促成骨性能与抗菌性能。
https://orcid.org/0009-0000-1414-0993 (程新奇)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

关键词: 钛合金, 等离子体喷涂, 复合涂层, 氧化铜, 氧化锶, 硅酸钙, 成骨, 金黄色葡萄球菌, 大肠埃希菌

Abstract: BACKGROUND: Titanium alloys lack biological activity when used as orthopedic implants, which can lead to implant loosening and periprosthetic infection. Therefore, it is of great significance to study a titanium alloy surface modification method that combines osteogenic and anti-infection functions.
OBJECTIVE: To study the physical and chemical properties of titanium alloy modified with copper and strontium binary doped calcium silicate composite coating, and to evaluate its bone-promoting and antibacterial potential.
METHODS: Ball milling and granulation methods were used to prepare composite powder containing copper oxide (CuO), strontium oxide (SrO), and calcium silicate (CS). A copper-strontium binary doped calcium silicate composite coating was prepared on the surface of titanium alloy (Ti6Al4V) through atmospheric plasma spraying technology. The composite coating was characterized. The titanium alloy extract, calcium silicate coating modified titanium alloy extract, copper-doped calcium silicate composite coating modified titanium alloy extract, and copper-strontium binary doped calcium silicate composite coating modified titanium alloy extract were co-cultured with MC3T3-E1 cells to detect the biosafety and osteogenic properties of the materials. Staphylococcus aureus (or Escherichia coli) were co-cultured with titanium alloy, calcium silicate coating modified titanium alloy, copper-doped calcium silicate composite coating modified titanium alloy, and copper-strontium binary doped calcium silicate composite coating modified titanium alloy. The in vitro antibacterial properties of the materials were detected by scanning electron microscopy and plate counting method.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Scanning electron microscopy showed that a large number of nanostructures existed on the rough surface of the copper-strontium binary doped calcium silicate composite coating. The composite coating was successfully sprayed on the surface of titanium alloy. The composite coating could slowly release Sr2+ and Cu2+ in vitro. The release concentration of Sr2+ was greater than that of Cu2+. (2) CCK-8 assay and cell live/dead staining results showed that the copper-doped calcium silicate composite coating modified titanium alloy had certain cytotoxicity. The calcium silicate coating and the copper-strontium binary doped calcium silicate composite coating modified titanium alloy had good biocompatibility. Alkaline phosphatase and alizarin red staining results showed that compared with titanium alloy and calcium silicate coating modified titanium alloy, copper strontium binary doped calcium silicate composite coating modified titanium alloy showed better osteogenic properties. (3) The results of scanning electron microscopy, bacterial coating, and bacterial counting method showed that compared with titanium alloy and calcium silicate coating modified titanium alloy, copper-doped calcium silicate composite coating and copper strontium binary doped calcium silicate composite coating modified titanium alloy can effectively inhibit the growth of Staphylococcus aureus and Escherichia coli, showing antibacterial potential. (4) The results indicate that copper strontium binary doped calcium silicate composite coating modified titanium sheet has good biocompatibility, osteogenic and antibacterial properties.

Key words: titanium alloy, plasma spraying, composite coating, copper oxide, strontium oxide, calcium silicate, osteogenesis, Staphylococcus aureus, Escherichia coli

中图分类号:

程新奇, 邵龙辉, 沈华侨, 刘宏伟. 铜锶二元掺杂硅酸钙涂层改性钛合金的促成骨和抗菌效应[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(22): 4639-4646.

Cheng Xinqi, Shao Longhui, Shen Huaqiao, Liu Hongwei. Osteogenic and antibacterial effects of titanium alloy modified with copper-strontium binary doped calcium silicate coating[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2025, 29(22): 4639-4646.

图/表（结果） 10

2.1 钛合金表面各组涂层的表面形貌扫描电子显微镜观察结果显示，在低倍镜下，各组涂层均表现出由熔融和未完全熔融的颗粒堆积形成的粗糙表面，显现出等离子喷涂涂层的典型形貌特征；在高倍镜下，各组涂层粗糙表面存在大量的纳米结构，3组涂层具有相似的微观结构，见图1。

2.2 钛合金表面各组涂层的物相组成 X射线衍射分析结果显示，在2θ=20°-60°范围内，CS组观察到了硅酸钙的明显特征峰，符合标准衍射图谱(JCPDS编号31-0300)；氧化铜掺杂后，Cu-CS组图谱上出现了CuO特征峰，标准衍射图谱为(JCPDS编号80-0076)；Cu-Sr-Cs组除了观察到硅酸钙、CuO的特征峰外，还观察到少量的SiO2特征峰，标准衍射图谱为(JCPDS编号110252)，见图2，说明铜、锶、硅酸钙复合涂层制备成功，并且无其他物质生成。

2.3 钛合金表面各组涂层的元素组成能量色散X射线能谱分析结果显示，CS组涂层中含有Ca、Si、O、C元素存在；在含有CS组元素的基础上，Cu-CS组和Cu-Sr-Cs组的Cu、Sr元素均成功喷涂在材料表面，并且无新物质生成，证明各涂层制备成功，见图3、表1。

2.4 钛合金表面各组涂层的离子缓释作用 Cu-CS组和Cu-Sr-CS组浸泡于去离子水中不同时间的离子释放曲线，见图4。由图可以看出，Cu-Sr-CS组相同时间下的Cu2+释放浓度低于Cu-CS组，说明Sr2+和Cu2+在硅酸钙上占据钙位时相互竞争，从而减低了Cu2+释放浓度；Cu-Sr-CS组相同时间下的Sr2+释放浓度远大于Cu2+释放浓度。

2.5 各组钛合金的生物相容性
2.5.1 细胞增殖检测结果 CCK-8检测结果显示，随着培养时间的延长，各组细胞增殖吸光度值升高，培养1，3，5 d后，Cu-CS组细胞增殖吸光度值低于其他3组(P < 0.000 1)；培养1 d后，Cu-Sr-CS组细胞增殖吸光度值高于钛合金组(P < 0.01)，见图5。

2.5.2 细胞毒性检测结果活死细胞染色结果显示，除Cu-CS组外，其他3组MC3T3-E1细胞生长良好，形态正常，仅见少量死细胞，见图6，说明Cu-CS组具有一定的细胞毒性，钛合金组、CS组、Cu-Sr-CS组具有良好的生物相容性。

2.6 各组钛合金的促成骨性能
2.6.1 碱性磷酸酶染色结果碱性磷酸酶能促进骨骼中羟基磷灰石的沉积，对早期成骨有着重要意义。碱性磷酸酶染色结果显示，与钛合金组、CS组相比，Cu-Sr-CS组MC3T3-E1细胞碱性磷酸酶染色面积更大、染色颜色更深，说明Cu-Sr-CS组在成骨早期阶段碱性磷酸酶活性增强，见图7。
2.6.2 茜素红染色结果茜素红染色结果显示，相较于CS组和钛合金组，Cu-Sr-CS组有更大面积的骨样结节和钙沉积，见图7。

2.7 各组钛合金的抗菌性能
2.7.1 扫描电子显微镜观察结果各组钛合金表面金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌的形态，见图8。由图可见，钛合金组、CS组表面的大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌数量较多，并且表现出其固有形状(长杆状和球形)，Cu-CS组、Cu-Sr-CS组表面的大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌数量相对减少，形态皱缩。

2.7.2 细菌琼脂平板实验结果细菌琼脂平板实验结果可见，钛合金组、CS组大肠埃希菌(或金黄色葡萄球菌)菌落几乎铺满整个培养皿，Cu-CS组、Cu-Sr-CS组培养皿中几乎无大肠埃希菌(或金黄色葡萄球菌)菌落形成(图9A)。
抑菌率计算结果显示，Cu-CS组、Cu-Sr-CS组对金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌的抑菌率均显著高于钛合金组、CS组(P < 0.000 1)，见图9B，C，说明铜掺杂硅酸钙涂层与铜锶二元掺杂硅酸钙涂层能显著抑制金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌的生长。

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引言

钛合金具有低密度、低弹性模量、高强度、耐腐蚀及良好的生物相容性等优点，在骨科植入材料中越来越受到重视[1]。然而钛合金表面存在生物惰性，与自身骨组织无法形成牢固的“骨-种植体”结合界面，长期使用甚至会发生植入假体的无菌性松动，甚至脱落[2]。植入物相关感染是骨科手术中最常见且严重的并发症之一，尤其关节置换手术后植入假体周围感染更是被称作“灾难性并发症”，发病率达到2%[3]。随着人口老龄化的加速，人工关节置换手术量与日俱增，假体周围感染的发病率也在持续上升[4]，成为骨科关节领域一大棘手问题。因此，研究一种兼顾促成骨和抗感染复合功能的钛合金表面改性方法具有重要意义。
大气等离子喷涂技术具有操作简单、沉积速度快、容易制备较厚涂层等优点。通过等离子喷涂将功能化的生物分子装载在钛合金表面，使其具有对应的生物功能，该方法被广泛应用于临床假体表面涂层制备[5-7]。硅酸钙陶瓷具有优良的可降解性和生物活性，并且能促进骨髓间质干细胞的细胞生长、分化和矿化[8]。锶(Sr)作为人体必需微量元素之一，可通过多种机制参与骨功能的调节[9]，
可以促进成骨细胞表达、刺激骨形成[10]；此外，锶通过钙离子受体介导的成骨相关通路促进骨基质形成，抑制破骨细胞减少骨吸收[11]。铜(Cu)是维持人体正常生理功能的必需元素[12]，具有广谱抗菌性[13]，能显著抑制大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌、结核分枝杆菌等细菌的生长[14]；铜还可以通过刺激成骨和血管生成来促进骨骼生成[15]。此次实验通过物理球磨、造粒制备了铜锶二元掺杂硅酸钙复合粉末，利用大气等离子喷涂法在钛合金(Ti6Al4V)表面成功制备了含氧化铜、氧化锶和硅酸钙的复合涂层，并对改性后的涂层进行表征，通过一系列体外实验评估了改性后钛合金的生物安全性以及促成骨和抗菌方面的潜能，期望为钛合金植入物提供一种新的复合功能表面改性方案。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计体外细胞学实验，细菌实验，进行单因素方差分析和Tukey多重比较检验。
1.2 时间及地点实验于2022年12月至2023年12月在常州市第二人民医院骨科实验室及检验科完成。
1.3 材料硅酸钙(粒径60-80 nm，麦克林公司，中国)；纳米氧化铜(粒径< 50 nm，阿拉丁公司，中国)；纳米氧化锶(80-100 nm，阿拉丁公司，国家)；钛合金圆片(宝鸡市俊航金属材料有限公司，中国)；小鼠成骨前体细胞系MC3T3-E1(中国科学院上海细胞库)；α-MEM基础培养基(Gibco，美国)；青霉素-链霉素双抗和胎牛血清(Gibco，美国)；细胞冻存液、胰蛋白酶(新赛美，中国)；PBS(Solarbio，中国)；0.22 µm滤器(Millipore，美国)；活/死细胞染色试剂盒、碱性磷酸酶试剂盒和茜素红染色试剂盒(上海碧云天公司)；CCK-8试剂盒(赛默飞公司，美国)；扫描电子显微镜(SUPRA55，德国Zeiss公司)；能量色散X射线光谱仪(Oxford，德国)；等离子喷涂系统(SulzerMetco9M，美国SulzerMetco公司)；电感耦合等离子体质谱仪(Agilent 7800，Agilent Technologies，USA)；喷砂机(6050A，中国东莞市东城百通五金机械厂)；行星式球磨机(QM-BP，中国南京大学仪器厂)；麦氏比浊仪(梅里埃，法国)；金黄色葡萄球菌(ATCC25923，常州市第二人民医院提供)；大肠埃希菌(ATCC25922，常州市第二人民医院提供)；40 g/L多聚甲醛固定液(碧云天，中国)；营养琼脂培养基(上海博微)；M.H.琼脂培养基(直径90 mm，科玛嘉，中国)。
1.4 方法
1.4.1 喷涂粉的制备按照硅酸钙、硅酸钙-2%CuO、硅酸钙-2%CuO-10%SrO的比例制备喷涂粉，依次记为CS、Cu-CS、Cu-Sr-CS。按照1∶2∶4质量比将大、中、小球磨珠适量加入球磨罐中，每组称量60 g上述比例喷涂粉，无水乙醇分散，380 r/min球磨4-6 h。球磨结束后，经200目筛过滤，收集混合液，烘箱50 ℃烘干后研钵研磨、造粒，研磨过程中一边研磨一边少量滴加5%聚乙烯醇溶液，搅拌至粗颗粒状，颗粒干燥后研钵研磨，依次过80目及200目筛，收集80目和200目之间的粉体为喷涂粉。
1.4.2 钛合金表面涂层的制备将钛合金片使用氢氯酸酸洗、钝化处理后，在去离子水、丙酮及无水乙醇中顺序浸泡15 min及超声清洗6 min，重复3次；进行喷砂粗化处理(使用46目棕刚玉，Al2O3为砂料)，喷砂完成后立即喷涂，设置转速90 r/min，在送粉机中分别加入CS、Cu-CS、Cu-Sr-CS喷涂粉，设置喷涂参数：功率40 kW，Ar流量(40 slpm)，H2流量(8 slpm)，送粉率(30 g/min)、喷涂距离(100 mm)。喷涂结束后收集样品(分别记为CS组、Cu-CS组、Cu-Sr-CS组)，使用无水乙醇、去离子水超声清洗，高压蒸汽灭菌(压力103.4 kPa，121.3 ℃灭菌30 min)后备用。
1.4.3 各组钛合金涂层的表征
扫描电子显微镜观察涂层形貌：对3组钛合金样品行喷金预处理，场发射扫描电子显微镜下观察材料表面形貌。
X射线衍射分析：采用X射线衍射仪分析3组钛合金样品涂层物相组成，设置具体参数：100 mA电流，40 kV电压，Cu靶Ka辐射，特征波长λ=0.154 056 nm，衍射角(2θ)，扫描范围为20°-80°，扫描速度为0.02 (°)/s。
能量色散X射线能谱分析：利用能量色散X射线光谱仪分析3组钛合金样品涂层的元素组成。
各组钛合金的离子缓释作用：将Cu-CS组、Cu-Sr-CS组钛合金样品分别置入10 mL去离子水中，在第1，3，5，7天收集溶液，使用通过电感耦合等离子体质谱仪检测溶液中Sr2+和Cu2+的释放情况。
1.4.4 各组钛合金的生物相容性
细胞培养：MC3T3-E1细胞使用含体积分数10%胎牛血清和 1%青链霉素的α-MEM培养基，置于37 ℃、体积分数5%CO2细胞培养箱中培养，每 2 d 更换1次培养基。待细胞融合达到70%-80%时传代，用于后续实验。
各组钛合金浸提液的制备：按照ISO 10993-12标准，以浸提液介质体积与样品表面积表比为2.45 mL/cm²比例，将装有样品(钛合金、CS组、Cu-CS组、Cu-Sr-CS组)和α-MEM培养基的离心管放入37 ℃、体积分数5%CO2细胞培养箱中；24 h后，使用细菌过滤器过滤并收集上清液，无菌过滤，加入体积分数10%胎牛血清和1%青链霉素后4 ℃保存。
细胞增殖检测：将MC3T3-E1细胞接种于96孔板内，细胞密度为5×103/孔，分别加入2 mL的钛合金浸提液、CS组浸提液、Cu-CS组浸提液、Cu-Sr-CS组浸提液。培养1，3，5 d后，按照CCK-8试剂盒说明书每孔加入适量CCK-8试剂孵育2 h，使用酶标仪在波长450 nm处测定吸光度(A)值。
细胞毒性检测：将MC3T3-E1细胞接种于6孔板中，细胞密度为5×104/孔，分别加入2 mL的钛合金浸提液、CS组浸提液、Cu-CS组浸提液、Cu-Sr-CS组浸提液。培养24 h后，加入Calcein/PI工作液进行活死染色，置于荧光显微镜下观察并拍照。
1.4.5 各组钛合金的促成骨性能
碱性磷酸酶染色：将MC3T3-E1细胞接种于6孔板内，细胞密度为4×104/孔，分别加入2 mL的钛合金浸提液、CS组浸提液、Cu-Sr-CS组浸提液培养3 d；然后分别加入2 mL成骨诱导培养基(含10 mmol/L β-甘油磷酸钠、50 mmol/L L-抗坏血酸、100 nmol/L地塞米松和体积分数10%胎牛血清的α-MEM培养基)进行成骨诱导，成骨诱导7 d后进行碱性磷酸酶染色。
茜素红染色：将MC3T3-E1细胞接种于6孔板内，细胞密度为4×104/孔，分别加入2 mL的钛合金浸提液、CS组浸提液、Cu-Sr-CS组浸提液培养3 d；然后分别加入2 mL成骨诱导培养基进行成骨诱导，成骨诱导14 d后进行茜素红染色，置于光学显微镜下观察并拍照，观察钙结节生成情况。根据生物相容性实验结果，Cu-CS组材料具有一定的细胞毒性，所以成骨诱导实验未加入该组。
1.4.6 各组钛合金的抗菌性能
扫描电子显微镜观察黏附细菌形态：将麦氏浊度为0.25的金黄色葡萄球菌(或大肠埃希菌)悬液分别与钛合金、CS、Cu-CS、Cu-Sr-CS共培养。培养24 h后，用2.5%戊二醛溶液4 ℃固定12 h后，在体积分数60%，70%，80%，90%，95%，100%乙醇中阶梯脱水(10 min/次)，置于扫描电子显微镜下观察钛合金表面的细菌形态。
细菌琼脂平板实验：将麦氏浊度为0.25的金黄色葡萄球菌(或大肠埃希菌)悬液分别与钛合金、CS、Cu-CS、Cu-Sr-CS共培养。培养24 h后，取100 μL培养液均匀涂布在营养琼脂培养基上，置于37 ℃恒温培养箱(湿度为90%)中继续培养24 h。取出培养皿，对细菌菌落进行计数，计算抑菌率。抑菌率=(1-实验组菌落数/对照组菌落数)×100%，对照组为钛合金组。
1.5 主要观察指标 ①铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层的表征；②铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层的生物相容性；③铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层对MC3T3-E1细胞成骨性能的影响；④铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层对金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌的抑制能力。
1.6 统计学分析所有计量资料均采用x±s表示，应用GraphPad Prism 8统计学软件进行单因素方差分析和Tukey多重比较检验，P < 0.05为差异有显著性意义。该文统计学方法已经南京医科大学生物统计学专家审核。

讨论

钛合金(Ti6Al4V)因耐热性好、强度大、可塑性强等优点被大量应用于临床骨科植入物手术中[16]。然而，钛合金植入物因表面生物惰性植入体内后的骨-种植体结合不坚固[17]，存在塌陷、松动以及脱落的风险[18]。细菌感染是植入物植入失败的主要原因之一，假体周围感染一旦发生其治疗极其复杂，并且增加了对患者的损伤[19]，因此需要对植入物进行表面修饰以改善其生物活性[20]，进而促进植入物骨整合、预防细菌感染、延长植入物的使用期限[21]。
硅酸钙陶瓷与钛基底的结合强度高，热膨胀系数(CTE)与Ti6Al4V相当[22]，说明硅酸钙涂层和钛基底具有优异的黏结强度；此外，硅酸钙释放的Ca2+和Si2+能促进成骨细胞的黏附与增殖，促进成骨分化[23]。锶作为亲骨性元素，能加速成骨细胞成熟及矿物化[24]。铜既能促进新生血管生成又具有广谱抗菌性[25]，还能显著抑制金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌的活性[26]。铜的抗菌机制主要是：正电荷的铜离子与负电荷的细菌通过静电吸附来杀死细菌；铜离子能够产生活性氧，通过氧化应激反应杀灭细菌；铜离子通过直接破坏细菌包膜来杀死细菌；铜离子通过破坏细菌呼吸链活动减少其能量的生成，从而影响细菌基因的复制，导致细菌死亡[27-29]。
此次实验通过大气等离子喷涂法在Ti6Al4V表面成功制备了铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层，X射线衍射和能量色散X射线光谱分析结果显示，铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层制备成功且无其他新物质生成；扫描电镜显示涂层表面呈粗糙的等离子喷涂形貌，而粗糙涂层表面有利于细胞的黏附[30]；离子缓释结果表明，Cu-Sr-CS组Cu2+释放量较Cu-CS组减少，Sr2+和Cu2+在硅酸钙上占据钙位时相互竞争，在一定程度上减少了Cu2+的释放，进而提高了复合涂层的细胞相容性与促成骨作用[31-32]。
细胞毒性检测是评价植入物生物安全性的标准之一。此次实验CCK-8、细胞活死染色结果发现，CuO对MC3T3-E1细胞的增殖活性有一定影响。铜的细胞毒性具有剂量依赖性，当Cu2+浓度高于 0.5 mmol/L时可能会产生细胞毒性[33]。当铜以较低比例(1.5%，2%)掺杂时材料会保持良好的细胞相容性，并发挥铜离子的促血管化、促成骨和抗菌等作用[34-35]。此次实验结果发现，随着SrO的掺入，铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层对MC3T3-E1细胞增殖无影响，说明该复合涂层无明显细胞毒性；结合离子缓释曲线，Cu2+的释放受到Sr2+的抑制，Cu2+质量浓度下降，从而降低了涂层的细胞毒性，表明铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层具有良好的生物相容性，可用于后续实验。
碱性磷酸酶染色和茜素红染色结果表明，铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层具有促进MC3T3-E1细胞成骨分化的作用。Sr因与Ca相似的化学性质，在材料中掺杂后可以取代材料中的Ca，从而刺激成骨细胞分化和骨形成，以及抑制破骨细胞生成和骨吸收来帮助骨稳态[36]。Cu可以通过赖氨酰氧化酶(一种铜依赖性酶)促进骨胶原蛋白表达、成熟[37]，诱导间充质干细胞的成骨分化[38]，增强骨形成，从而参与骨代谢[39]。有研究表明，Cu通过刺激血管内皮生长因子生成诱导新生血管形成[40-41]，而新生血管又能促进新生骨形成。
植入物相关感染是导致人工关节置换手术失败的主要原因之一，细菌可在植入物表面定植并形成生物膜[42]，从而破坏邻近组织，引起植入物松动、移位甚至脱位等情况，往往需要进行翻修手术且患者预后不良[43]。细菌在钛植入物表面主要经历了细菌黏附、生物膜形成、生物膜成熟和生物膜扩散等阶段[44]。为研究复合涂层的抗菌性能，此次实验采用扫描电子显微镜和细菌琼脂平板涂布来检测复合涂层的抗菌性，结果显示：扫描电子显微镜下可见随着CuO的掺入，涂层表面的金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌数量减少，并且细菌形态发生皱缩；细菌稀释涂布结果也同样支持铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层由于铜元素的掺杂，对金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌显示出良好的抗菌性。有研究认为粗糙表面会促进微生物的黏附[45]，但这种促进黏附的水平受到加工方式的影响[46]。
虽然高表面粗糙度的植入物有利于细菌附着和生物膜的形成，然而粗糙表面也加大了Cu2+与细菌接触的可能[47]，从而直接破坏细菌包膜并进入细菌体内，影响细菌的代谢活动，从而更有效地杀死细菌[48]。此次实验发现铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金片可以通过铜、锶金属离子的缓释，改善钛基材料的生物相容性、促成骨作用和抗菌性。然而实验还有2点不足：①需要继续展开相关成骨标志物基因和蛋白水平检测实验；②需要开展体内实验，进一步验证复合涂层的成骨和抗菌作用。
综上所述，此次实验采用大气等离子喷涂法在钛合金片上成功制备了铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层，初步验证了该复合涂层促进骨整合和抗菌作用较为理想，为预防假体松动、假体周围感染提供了一种有前景的改性方案。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

铜锶二元掺杂硅酸钙涂层改性钛合金的促成骨和抗菌效应

Osteogenic and antibacterial effects of titanium alloy modified with copper-strontium binary doped calcium silicate coating

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[1]	马丽莎, 何惠宇, 吾凡别克·巴合提, 吕尚毅, 韩祥祯. 氧化石墨烯/羟基磷灰石复合涂层对RAW264.7巨噬细胞免疫活性的影响[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(10): 2023-2029.
[2]	都曼别克·阿曼台, 何惠宇, 韩祥祯. 羟基磷灰石-氧化石墨烯复合涂层促进大鼠骨缺损的修复[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(10): 2030-2037.