从被动粘合剂到主动防御：一种经过银功能化的非晶晶界相，用于制造机械性能优异且具有抗菌效果的人工牙釉质

《Journal of Colloid and Interface Science》：From passive binder to active defense: an Ag-functionalized amorphous intergranular phase for mechanically-robust and antibacterial artificial enamel

分层纳米复合材料模仿天然牙釉结构，通过银掺杂氧化锆（Ag@ZrO?）涂层与羟基磷灰石（HA）纳米丝的界面工程，解决了机械强度与生物活性的矛盾。该材料弯曲强度111.2 MPa，弹性模量77.8 GPa，接近天然牙釉，并实现双重抗菌机制（ROS生成、Ag?缓释、谷胱甘肽耗竭），对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抑制率达100%。

　　

张泽帅|于淼|王宇航|王一鸣|马卓|刘少琴|邱云峰

哈尔滨工业大学医学与健康学院生命科学与医学系，哈尔滨 150080，中国

摘要

牙齿修复体的临床耐久性从根本上受到一个关键矛盾的制约：机械强度高的材料通常缺乏内在的生物防御能力，而生物活性复合材料则常常会出现结构降解。为了解决这一矛盾，我们开发了一种分层纳米复合材料，其结构逻辑模仿了天然牙釉质。该设计的核心是制备了一种银功能化的非晶氧化锆（Ag@ZrO₂）涂层，作为生物活性的非晶晶界相（AIP），连接排列整齐的羟基磷灰石（HA）纳米线。通过双向冷冻铸造技术制备的这种仿生复合材料有效结合了机械韧性和生物活性。其抗弯强度达到111.2 MPa，弹性模量为77.8 GPa，相比对照组提高了91%。这一性能与天然牙釉质相当，并超越了标准的牙科树脂材料。重要的是，工程化的Ag@ZrO₂界面充当了一个催化平台，通过三重协同机制发挥强大的抗菌作用，包括模拟过氧化物酶的反应性氧物种生成、AgCl持续释放银离子（Ag⁺）以及破坏细菌的谷胱甘肽。这种方法能够100%消灭大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus），同时不损害复合材料的结构完整性。这些发现验证了一种可扩展的界面工程策略，可用于制造能够主动预防继发性龋齿的“活性”结构材料。

引言

天然牙釉质独特的分层结构为设计高性能结构材料提供了理想的仿生模型。其卓越的机械性能源于高度有序的微观结构，其中排列整齐的HA纳米线由薄层AIP固定[1]、[2]、[3]、[4]。这种“硬晶体-软界面”配置使材料能够通过界面能量耗散机制有效抵御复杂的外部应力[5]、[6]、[7]、[8]。受此启发，研究人员使用非晶氧化锆等合成材料来复制天然AIP，成功制备出机械性能可与生物原型媲美甚至超越的“人工牙釉质”，为牙齿修复提供了有前景的解决方案。

然而，口腔环境是一个复杂且动态的生物反应器。修复体必须承受循环机械载荷，同时还要持续暴露在致龋生物膜中，这常常导致继发性龋齿、界面降解和最终失效[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。目前，高性能仿生材料在机械强度和生物活性之间存在根本性矛盾。专为高强度和高模量设计的结构生物材料通常具有生物惰性，缺乏内在的抗菌能力。相反，尝试通过物理掺杂抗菌剂（如银纳米颗粒（AgCl）或抗生素）来赋予生物活性时，常常会导致填料与基体之间的界面能量不匹配[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。这种不兼容性会引发相分离和聚集，破坏精确的微观结构秩序，从而显著降低机械性能和结构完整性。因此，在单一材料系统中实现机械承载能力和长期抗菌功能之间的协同作用仍然是该领域的核心挑战。

尽管已经探索了多种策略来解决这一矛盾，但仍然存在局限性。例如，基于树脂的复合材料或玻璃离子体虽然可以通过离子释放提供短期抗菌效果，但往往受到突发释放现象和长期稳定性不足的制约[27]、[28]、[29]、[30]。同样，直接掺杂纳米结构的抗菌剂也常常无法解决在结构基体中的分散稳定性问题，从而影响机械可靠性[22]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]。尽管最近在利用非晶相提高韧性方面取得了一些进展，但这些研究主要集中在机械仿生上，而没有将持久的抗菌功能整合到承载相中[38]、[39]、[40]、[41]、[42]。根本性的瓶颈在于缺乏有效的界面设计，无法在引入生物活性组分时保持分层结构和稳定性。与传统的非晶晶界相作为被动机械粘合剂的系统不同，我们的设计逻辑通过精确整合Ag@ZrO₂/HA三元结构，将这一界面转变为“主动抗菌防御”机制。通过将晶界相的功能从简单的粘合转变为功能性激活，这种界面工程在结构完整性和杀菌效果上实现了协同提升。

为了解决这些限制，本研究提出了一种“界面工程”策略，旨在将AIP从被动粘合剂转变为可调的“生物活性防御平台”。我们设计并制备了一种由HA纳米线组成的分层纳米复合材料，这些纳米线表面涂覆有Ag@ZrO₂/HA。在这种设计中，非晶氧化锆壳层作为纳米限制层，将银离子原位固定，有效防止粒子迁移和聚集。这种配置保持了与纳米线的强界面粘附性，确保了有效的应力传递，同时赋予材料多种抗菌机制，包括纳米酶催化的反应性氧物种生成、持续离子释放和代谢干扰。通过精确的界面调控，该研究实现了优异的机械性能和长期抗菌保护的协同统一，为开发具有主动防御能力的下一代高性能牙科修复材料提供了可行的途径。

材料

材料

AgNO₃、聚乙烯醇（PVA）和ZrCl₄·8H₂O购自上海阿拉丁生化科技有限公司。NaH₂PO₄·2H₂O、CaCl₂、油酸和NaOH购自天利化学试剂有限公司。聚二甲基硅氧烷（PDMS）和固化剂由陶氏化学公司（密歇根州米德兰）生产。戊二醛（GA）、3,3′,5,5’-四甲基联苯胺（TMB）、(羟甲基)氨基甲烷（Tris）、盐酸（HCl）、5,5’-二硫代双(2-硝基苯甲酸）（DTNB）等试剂也用于实验。

制备与表征

高长径比HA纳米线的合成为分层组装奠定了结构基础，采用水热法制备后，再精确沉积非晶氧化锆（A-ZrO₂）层和AgCl（图1a）。形态学表征显示，HA纳米线和Ag@ZrO₂/HA复合材料均具有均匀的几何形态。平均直径分别为38.3 ± 17.1 nm和42.3 ± 12.1 nm，相应长度分别为3.5 ± 0.6 μm和6.7 ± 1.1 μm。

结论

通过在分层有序的HA纳米线网络中设计功能化的AIP，本研究解决了修复生物材料中机械强度和生物活性之间的长期矛盾。通过双向冷冻铸造制备的Ag@ZrO₂基复合材料具有与天然牙釉质相当的抗弯强度（约111.2 MPa）和弹性模量（约77.8 GPa），证实了在非晶ZrO₂中加入生物活性银离子可以保持其

CRediT作者贡献声明

张泽帅：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学研究，概念构思。于淼：撰写 – 审稿与编辑。王宇航：撰写 – 审稿与编辑，软件应用。王一鸣：撰写 – 审稿与编辑，方法学研究，概念构思。马卓：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。刘少琴：指导工作。邱云峰：撰写 – 原稿撰写，指导工作，资金争取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52494931）和哈尔滨工业大学本科生创新创业培训项目管理规定的支持。