醫用金屬表面抗菌功能化研究取得進展

「抗菌兼成骨」效應在種植牙和人工關節等骨植入器械中有廣泛需求。傳統解決思路是將抗菌組分和促成骨組分機械混合施於基材表面，但這無法排除抗菌組分對正常細胞的不利影響，難以平衡臨床「抗菌兼成骨」需求，不利於抗菌功能化技術的臨床推廣。

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所副研究員曹輝亮、研究員劉宣勇基於貫通「材料」和「生物」領域的「質子耦合電子轉移」理論，提出「雙功能微電池效應」抗菌思路。該思路將抗菌的惰性金屬（如銀）和促成骨的活潑金屬（如鈣）同時引入鈦表面構建「雙功能微電池」，利用「微電池」的陰極析氫反應「擾亂」細菌能量合成功能所依賴的「質子濃度梯度（PMF）」與「微電池」的陽極腐蝕（離子釋放）反應「引誘」細菌「儲備」活性離子（消耗能量），兩者協同使細菌處於嚴重「應激」狀態。這種「雙功能微電池效應」可激活大鼠骨髓間充質幹細胞整合素調控的成骨通路，促進骨整合。將抗菌與組織整合聯合設計，成功製備了具有細胞選擇特徵的抗菌表面，為製造「抗菌兼成骨」型植入器械提供了新方向。

相關研究成果以Bifunctional galvanics mediated selective toxicity on titanium為題，發表在Materials Horizons上。

細菌感染是導致醫用植入器械失效的重要原因之一。表面工程技術的發展為解決醫用材料植入後的相關感染問題提供了新的途徑。此前，由劉宣勇帶領的生物材料表面與界麵糰隊針對傳統抗菌材料毒性大、抗菌活性不可控、抗菌與組織整合不兼容等問題，探索出了無機納米抗菌材料可控鑲嵌技術，提出基於「肖特基接觸」和「微電池」效應賦予醫用金屬表面「安全」、「可控」抗菌功能。這些研究為「安全抗菌」型醫用植入器械的研發和臨床推廣提供了科學依據和技術參考。

「雙功能微電池效應」抗菌思路示意圖

來源：中國科學院上海硅酸鹽研究所

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