《Ceramics International》：Synergistic enhancement of corrosion resistance and biocompatibility in Zn/Sr co-doped hydroxyapatite coatings via spin coating on Ti-6Al-4V for orthopedic implant applications
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羟基磷灰石涂层通过Zn/Sr共掺杂优化了钛合金基体的生物相容性和抗腐蚀性，溶胶-凝胶法制备的HZS2涂层在7天内骨细胞活性提升至109.34%，并增强碱性磷酸酶活性。
周毅许 | 阿里·P·艾哈迈迪 | 纳林德吉特·辛格·萨瓦兰·辛格 | 普拉迪普·库马尔·辛格 | A.M.A. 穆罕默德 | 伊布拉欣·马哈里克 | 阿西尔贝克·达乌莱特巴耶夫 | 鲁斯兰贝克·西迪科夫 | 穆塔巴尔·拉蒂波娃 | 泽巴·西迪基 | 库尔希德·穆扎米尔
雷鸟全球管理学院，亚利桑那州立大学坦佩校区，菲尼克斯，亚利桑那州 85004，美国
摘要
羟基磷灰石（HAP）涂层被广泛应用于钛植入物以增强生物活性；然而，同时提高耐腐蚀性、涂层附着力和生物相容性仍然具有挑战性。具体来说，缺乏优化的多离子掺杂策略来平衡结构完整性和生物性能，限制了其在承重应用中的长期可靠性。在这项工作中，通过溶胶-凝胶旋涂法在Ti-6Al-4V基底上制备了Zn/Sr共掺杂的羟基磷灰石涂层，其中Zn含量固定，Sr浓度系统变化（3–9 wt.%）。结构分析证实形成了纯六方相的HAP结构，受控的晶格畸变使形态从多孔变为致密且无裂纹。优化的HZS2涂层表现出显著的附着力增强（46.73 ± 1.56 MPa），在模拟体液（SBF）浸泡后具有优异的结构保持性，并具有高电荷转移电阻（Rct = 6.61 MΩ×cm2）的优异耐腐蚀性。体外MTT实验表明，成骨细胞活力显著提高，7天后达到对照组的109.34 ± 2.61%。此外，成骨实验确认Zn/Sr共掺杂涂层显著增强了碱性磷酸酶活性和成骨基因表达，表明与未掺杂的羟基磷灰石相比，成骨分化加速。这些结果表明，优化的Zn/Sr共掺杂提供了一种协同途径，可以同时提高电化学稳定性和生物相容性，使HZS2涂层成为耐用的骨科和牙科植入物的有希望的候选材料。
引言
近年来，骨质疏松症、骨癌、关节炎和创伤性骨折等骨骼相关疾病影响了全球90%的老年人，因此迫切需要适合髋部、脊柱和膝关节置换的生物材料[1]，[2]。理想的生物材料必须结合高强度、低弹性模量、优异的耐磨性和耐腐蚀性、长期稳定性以及无细胞毒性的生物相容性[3]。金属、陶瓷、聚合物及其复合材料已被广泛研究用于此目的，其中钛及其合金、不锈钢和钴铬合金是最常用的金属选项[4]，[5]。在这些材料中，钛及其合金（特别是Ti-6Al-4V（5级）因其高生物相容性、强度、耐腐蚀性和相对较低的密度而受到青睐[6]，[7]。然而，钛植入物仍面临由于其高弹性模量导致的应力屏蔽和腐蚀产物可能产生的毒性等挑战。因此，已经开发了表面改性技术来提高生物活性、防止感染并控制降解，同时不损害整体性能[8]，[9]，[10]。生物陶瓷涂层（特别是像羟基磷灰石这样的磷酸钙化合物）的应用增强了植入物与骨组织的整合并加速了愈合[11]，[12]。在各种合成方法中，溶胶-凝胶工艺特别具有吸引力，因为它可以在低温下合成、纯度高、原子级均匀、成本效益高且能够精确控制成分，使其成为优化钛基植入物性能的有希望的方法[13]，[14]。
羟基磷灰石（Ca10(PO4)6(OH)2，HAP）作为金属植入物的涂层材料受到了广泛关注，因为其晶体和化学结构与天然骨骼非常相似[15]，[16]。应用HAP涂层可以通过生产结合适当机械强度和优异生物相容性的生物材料来增强骨科应用。HAP在体内的优异表现促进了强健的骨结合并延长了金属假体的使用寿命[17]。此外，HAP层作为保护屏障，提高了耐腐蚀性并防止金属离子释放到体内[18]。然而，为了实现最佳功能，HAP涂层必须表现出对植入物表面的强附着力、高结构稳定性、低溶解速率以及有利于骨整合的形态[19]。为满足这些要求，最近的研究探索了掺入Fe2+、Zn2+和Ag+等多离子的掺杂方法，以改善机械和生物性能[20]，[21]，[22]。这些掺杂的HAP系统在推进植入物固定、骨整合和骨组织再生方面显示出显著的潜力。
向HAP中添加必需和微量元素可以创造出具有改进的结构和生物特性的单相陶瓷[23]，[24]。这种元素掺杂改变了HAP的晶体结构，从而改善了形态、生物活性和稳定性。例如，在Ti-6Al-4V基底上制备的硅掺杂羟基磷灰石涂层表现出均匀、无裂纹的表面，粗糙度降低且耐腐蚀性增强[25]。类似地，Sr/Fe共掺杂的HAP由于Sr2+和Fe3+离子的协同作用，表现出优异的生物相容性、抗菌性能和成骨活性[26]。温度控制的Cu掺杂产生了富含Cu的HAP，具有混合的Cu+/Cu2+状态，改善了离子释放行为和生物反应[27]。此外，用Mg和Ga等金属掺杂显著提高了抗菌效率和整体功能性[28]，[29]。在各种掺杂剂中，Zn2+和Sr2+特别值得关注，因为它们在羟基磷灰石中具有互补的结构和生物作用。锌离子的离子半径比Ca2+小，可以引起晶格畸变并抑制过度晶粒生长，从而形成精细的微观结构和增强的涂层致密性[30]。从生物学角度来看，Sr2+能够刺激成骨细胞分化同时抑制破骨细胞吸收，从而促进骨形成和长期植入物整合[31]。尽管基于溶胶-凝胶的羟基磷灰石涂层和离子掺杂的HAP系统已被广泛研究，但许多先前的研究仅关注生物性能或腐蚀防护，而没有定义优化的成分窗口[32]，[33]。系统研究在固定Zn含量的同时逐步调整Sr浓度，并将微观结构演变与附着力耐久性、电化学屏障性能和成骨细胞活力相关联的研究仍然有限。
尽管将必需和微量元素掺入羟基磷灰石被认可为有益，但不受控制或过度的掺杂可能会引入重大挑战，包括晶格不稳定、相降解和在生理条件下的不可预测的离子释放[23]，[26]。因此，合理设计多离子掺杂的HAP涂层不仅需要选择生物学相关的掺杂剂，还需要精确控制它们的浓度，以实现结构完整性、界面稳定性和生物性能之间的平衡。在这项工作中，使用旋涂法在Ti–6Al–4V基底上制备了锌和锶共掺杂的羟基磷灰石涂层，以增强承重植入物的电化学和生物性能。通过保持锌含量不变并改变锶浓度（3至9 wt.%），我们在不影响六方HAP结构的情况下实现了涂层成分和微观结构的可控变化。使用XRD、FTIR、FESEM和XPS进行的结构和表面表征证实形成了均匀、附着良好且无裂纹的涂层。电化学分析（包括电化学阻抗谱EIS）以及体外MTT实验表明，Zn/Sr共掺杂的HAP显著提高了耐腐蚀性、界面附着力和细胞活力，优于纯HAP。这些发现突显了Zn/Sr共掺杂HAP涂层在下一代骨科和牙科植入物应用中的巨大潜力。
样本合成
使用溶胶-凝胶方法合成了纯羟基磷灰石、5%Zn/HAP和5%Zn/xSr共掺杂的HAP纳米颗粒（x = 3、6和9 wt.% Sr）。对于每种组成，准备了稳定且均匀的溶胶以用于后续涂层。例如，5%Zn/6%Sr/HAP（HZS2）的溶胶是通过在绝对乙醇（Merck）中连续磁力搅拌2小时溶解硝酸钙四水合物（0.449 M，Merck）、硝酸锶（0.030 M，Merck）和硝酸锌六水合物（0.025 M，Merck）制备得到的。
FTIR分析
图1显示了合成样品的FTIR光谱，清楚地证实了特征性的羟基磷灰石（HAP）官能团的存在。大约3418 cm-1的宽吸收带和接近1628 cm-1的明显峰分别与吸附水的O–H伸缩和弯曲振动相关[39]，[40]。磷酸盐（PO43-）基团的主要振动模式出现在1094、926、631、589和483 cm-1 [39]，[41]。特别是1094 cm-1处的强峰
结论
在这项研究中，使用简单的溶胶-凝胶工艺和旋涂沉积方法成功地在Ti-6Al-4V基底上制备了Zn/Sr共掺杂的羟基磷灰石涂层。Zn2+和Sr2+离子的联合影响有效地改变了HAP的结构、电化学和生物性能。除了证实Zn和Sr离子的有益作用外，这项研究还表明性能提升在很大程度上取决于成分，并受到晶格平衡的调控
CRediT作者贡献声明
普拉迪普·库马尔·辛格：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，软件，方法学，研究，形式分析。
纳林德吉特·辛格·萨瓦兰·辛格：撰写 – 审稿与编辑，软件，研究，形式分析。
鲁斯兰贝克·西迪科夫：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，研究。
阿西尔贝克·达乌莱特巴耶夫：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，研究。
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数据可用性声明
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伦理合规性
本研究未涉及人类参与者、动物实验或需要机构审查委员会（IRB）或动物伦理委员会批准的任何程序。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
作者感谢大学高等教育基金通过King Khalid大学的研究支持中央实验室计划（项目编号CL/CO/A/7）资助了这项研究工作。
