研究背景和目的：随着人均寿命的延长，以及各类交通事故与运动损伤的出现，每年关节置换手术的数量呈稳步增长的趋势。目前，应用于髋关节假体的材料主要是以钛为代表的金属材料。这类金属材料一般使用寿命不超过 20 年，耐磨性能差，长期使用会导致金属磨削颗粒的产生，从而引起假体周围组织炎症的发生。相较而言，氧化锆陶瓷植入物因其优异的生物相容性和长期耐磨性而有望被用作一种髋关节假体材料。然而，髋关节是具有复杂三维形态结构和极大个体差异的主要运动关节之一，手术期间经常会因为假体的选择造成大量材料与时间的浪费。本文将陶瓷 3D 打印技术与抗菌纳米改性相结合，获得了具有精确三维结构和有效抗菌性能的氧化锆陶瓷植入物。
方法：（1）结合 3D 打印技术通过凝胶铸模成型的方法定制出结构精确匹配的植入物；（2）通过二次烧结法对制作陶瓷髋关节进行烧结；（3）利用滴度法在 ZrO₂ 陶瓷材料表面修饰 ZnO 纳米阵列；（4）通过优化反应条件和选择区域反向补偿法解决两大技术问题（烧结后易碎裂和不规则收缩）；（5）通过扫描电子显微镜观察 ZrO₂ 及 ZrO₂-ZnO 陶瓷材料表面结构，并且同时运用 XRD 衍射技术明确材料表面修饰的材料结构；（6）将 ZrO₂ 及 ZrO₂-ZnO 陶瓷材料分别与金黄色葡萄球菌和大肠杆菌共培养，通过平板计数法比较3组样品的抗菌效果；（7）将  ZrO₂ 及 ZrO₂-ZnO 陶瓷材料和金葡菌同时植入动物体内，经过 2 周的饲养，取植入物表面和周围组织进行细菌计数。另外，取植入物周围组织进行 HE 染色用光学显微镜观察其中炎症细胞数量；（8）通过细胞计数试剂盒-8（CCK-8）测定分析氧化锌改性的陶瓷材料的细胞毒性；（9）将 ZrO₂-ZnO 陶瓷材料植入动物体内，经过 4 周的饲养，进行 X 线摄片观察植入物位置。另外，取植入物周围组织进行包蜡切片和 HE 染色观察。
结果：（1）通过优化反应条件和选择区域反向补偿法，有效地解决了 3D 打印陶瓷的两个技术问题（易碎和烧结引起的不规则收缩）；（2）镜下观察和 X 线衍射技术表明材料表面成功修饰了 ZnO 纳米材料；使用万能试验机比较了陶瓷材料表面负载 ZnO 前后的力学强度，发现氧化锌对氧化锆陶瓷材料的力学性能没有明显的影响；（3）将 ZrO₂ 及 ZrO₂-ZnO 陶瓷材料与金黄色葡萄球菌和大肠杆菌进行共培养，根据平板计数法的结果显示氧化锌改性的氧化锆陶瓷的抗菌性能明显高于纯氧化锆组。8 小时后经氧化锌改性的氧化锆陶瓷材料对细菌具有明显杀灭作用；（4）对植入物表面和周围细菌进行计数显示，相比纯氧化锆陶瓷组植入物，ZrO₂-ZnO 植入物表面和周围存在的细菌大大减少，而且纯氧化锆植入物周围皮肤和肌肉组织切片经显微镜观察显示有大量炎症细胞存在，可以得出 ZrO₂-ZnO 陶瓷的抗菌率明显优于纯 ZrO₂ 陶瓷组；（5）可发现经氧化锌改性的氧化锆陶瓷材料具有轻微的细胞毒性，但是细胞存活率仍在 80% 以上；（6）体内植入 4 周后，经 X-Ray 可看到植入物位置完好，没有出现移位现象。并且氧化锌改性的陶瓷材料在接触骨组织和周围肌肉组织时具有良好的生物相容性，不影响组织的形态和功能。
结论：（1）结合陶瓷 3D 打印技术与抗菌纳米改性，可以快速定制出具有精确的结构和有效的抗菌性能理想的植入物。（2）通过优化反应条件和选择区域反向补偿法，有效地解决了 3D 打印陶瓷的两大技术问题（易碎和烧结引起的不规则收缩）；（3）在陶瓷表面增加了氧化锌纳米材料，其可在植入后快速扩散至材料及其周边、有效杀死致病菌。
Keywords: zirconia, 3D printing, antibacterial, surface modification, implant material