《Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials》：Low Percent Copper Doping Limits Bacterial Adhesion on Fluorapatite-Based Bone Scaffolds
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天然与工程骨移植物广泛应用于骨科及牙科重建，然而感染仍是临床长期面临的挑战。氟磷灰石（Fluorapatite, FAp）是一种化学性质稳定且具有骨传导性的骨替代材料，但其本身缺乏固有抗菌特性。铜（Copper, Cu）因优异的抗菌活性可被引入FAp晶体结构，
天然与工程骨移植物广泛应用于骨科及牙科重建，然而感染仍是临床长期面临的挑战。氟磷灰石（Fluorapatite, FAp）是一种化学性质稳定且具有骨传导性的骨替代材料，但其本身缺乏固有抗菌特性。铜（Copper, Cu）因优异的抗菌活性可被引入FAp晶体结构，但铜掺杂氟磷灰石（CuFAp）的相关研究仍较有限。研究人员前期工作显示，1–5 mol%浓度的铜掺杂可抑制细菌黏附，但同时对成骨细胞产生细胞毒性，提示更低浓度可能在维持成骨活性的同时防止细菌黏附。因此，本研究假设在FAp中掺杂0.25、0.50、0.75和1.0 mol%的低浓度铜，可显著减少细菌黏附并保持成骨性能。材料表征证实铜成功取代磷灰石晶格中的钙位点，且未形成次生氧化物相。烧结后CuFAp表面分析显示晶粒尺寸随铜含量增加而增大。采用金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）与铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）进行的抗菌实验表明，0.25–0.50 mol% CuFAp的表面细菌黏附量较未掺杂FAp降低达3个数量级。关键的是，成骨细胞活力在72小时内未受影响（p> 0.05）。基于上述结果，研究人员在大鼠污染性临界尺寸骨缺损模型中评估了0.50 mol% CuFAp支架的效果。组织学评估证实其可实现完全骨再生且炎症反应轻微，凸显了该材料兼具成骨与抗细菌黏附的双重优势。综上，低浓度CuFAp支架是一种在抗感染骨缺损修复领域极具潜力的生物材料。
本研究发表于《Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials》，针对骨移植术后感染率高、现有氟磷灰石（FAp）缺乏抗菌性的问题，探索了低浓度铜（Cu）掺杂氟磷灰石（CuFAp）作为抗感染骨支架的可行性。骨移植每年全球需求超过200万例，自体骨虽为金标准，但受限于供区并发症与来源不足，合成磷酸钙陶瓷成为重要替代方案。其中FAp因化学稳定性高、耐酸溶解性强、成骨活性优于羟基磷灰石（HAp）而备受关注，但天然FAp的抗菌能力不足，在高污染伤口或口腔环境中易导致移植失败。既往研究显示1–5 mol% Cu掺杂可有效抑菌，但同时对成骨细胞有毒副作用，因此本研究聚焦于更低浓度（0.25、0.50、0.75、1.0 mol%）Cu掺杂能否平衡抗菌与成骨性能。
研究人员采用湿化学沉淀法合成不同比例的CuFAp粉体，经1150℃烧结制备成块体材料，并通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）及扫描电子显微镜（SEM）进行物相、成分与微观形貌表征。抗菌性能测试选用金黄色葡萄球菌（S. aureus）与铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）两种临床常见骨感染病原菌，通过静态黏附模型定量评估表面细菌附着量。成骨相容性评价采用人胎儿成骨细胞（hFOB 1.19）进行体外培养，检测细胞活力、成骨标志物骨桥蛋白（OPN）与骨钙素（OCN）的表达情况。体内验证采用大鼠胫骨污染性临界尺寸骨缺损模型，术前植入含菌胶原海绵诱导感染，三周后清创并植入0.50 mol% CuFAp或纯FAp颗粒，术后12周通过显微计算机断层扫描（μ-CT）和组织学染色评估骨再生与炎症情况。
材料表征结果显示所有CuFAp均保持六方晶系结构，无次生相生成。晶格参数随Cu掺杂发生微小变化，晶粒尺寸从纯FAp的0.75 μm增至1.0 mol% CuFAp的1.51 μm。ICP-OES证实实际Cu含量与目标值接近，(Ca+Cu)/P摩尔比维持在1.66–1.70，符合化学计量磷灰石特征。抗菌实验结果表明，所有CuFAp组细菌黏附量均显著低于纯FAp（p< 0.05），其中0.25与0.50 mol%组的黏附量降低约3个数量级，0.75与1.0 mol%组降低约2个数量级，且对革兰阳性与阴性菌的抑制作用无显著差异。细胞实验结果显示各组成骨细胞活力无统计学差异（p> 0.05），细胞形态正常，OPN与OCN表达水平相当，提示低浓度Cu掺杂不损害成骨细胞的存活与分化能力。动物实验结果显示，FAp组骨缺损处再生不完全，皮质骨未桥接，而0.50 mol% CuFAp组可见大量新生骨组织，皮质连续性恢复，无明显炎症或纤维包裹。
在讨论部分，研究人员指出低浓度Cu掺杂通过协同的化学与物理效应发挥抗黏附作用，可能涉及表面粗糙度、表面能与微结构的变化，而非单纯依赖Cu离子释放。CuFAp在长期植入中的离子释放安全性、对不同病原菌的广谱抗菌性能以及在更大动物模型中的验证仍需进一步研究。结论部分强调，0.25–0.50 mol% CuFAp可在不影响成骨活性的前提下显著降低细菌黏附，其抗菌性能来源于晶体结构内的Cu掺杂，避免了抗生素负载材料的短期爆发释放缺陷，在牙周缺损修复、骨增量与种植位保存等领域具有广阔的临床转化前景。
