自1950年代以来，钛（Ti）及其合金在金属生物材料领域一直是首选材料，其中Ti6Al4V合金占据了现在的大部分应用份额。尽管如此，钛材料仍面临着一些挑战：其在体内的生物惰性无法促进宿主骨与植入物之间的快速相互作用，从而延迟了植入物的附着；另一个问题是植入部位可能会发生多种细菌感染。抑制细菌感染的治疗方法包括抗生素的使用，但严重的感染往往需要修复手术，清除感染组织并更换现有的金属植入物。但修复手术不仅会降低患者的整体健康状况，还可能缩短患者的预期寿命，从而使得植入手术的初衷无法实现。全球每年使用的植入物数量庞大，使得克服这些难题变得尤为重要。
本文通过金属增材制造（AM）加工在CpTi基体中添加了1wt %的SiO2和3wt %的Cu。Si4+离子能促进血管生成和骨生成。在以大鼠远端股骨为模型的体内研究中，CpTi-SiO2复合材料在骨-植入界面处的骨形成量是CpTi的4.5倍。在与革兰氏阳性金黄色葡萄球菌的体外细菌研究中，CpTi-SiO2-3Cu（CpTi +1 wt% SiO2 +3 wt% Cu）的抗菌效果比CpTi高85%。CpTi-SiO2-3Cu在体内未表现出任何炎症标志物，表明没有细胞毒性，但与CpTi-SiO2相比，其骨整合反应有所延迟。CpTi-SiO2-3Cu的矿化骨形成量是CpTi的3倍。本文研究结果强调了在CpTi中添加SiO2和Cu的协同效应，促进了早期骨整合，也增强了抗菌效果，有助于植入物在体内的长期稳定性和可靠性。
图1.SiO2和铜在CpTi中协同作用的示意图。
展示了CpTi-SiO2-3Cu对增强早期骨组织生长、与宿主骨的整合和抗菌性能的影响。
图2.(a) 定向能量沉积（DED）打印的CpTi、CpTi-SiO2和CpTi-SiO2-3Cu抛光和腐蚀后的表面微观结构、(b) 维氏显微硬度（HV0.2）值和(c) X射线衍射（XRD）图。
CpTi和CpTi-SiO2组成中可见马氏体α′针状结构，这种现象通常能在增材制造的CpTi中观察到。CpTi-SiO2-3Cu表面由于铜的高热扩散性表现出球形效应，呈现出钥孔孔隙结构。维氏显微硬度（HV0.2）值显示，CpTi-SiO2由于加入SiO2陶瓷而硬度有所提升，而CpTi-SiO2-3Cu由于Ti2Cu金属间化合物相的形成，硬度进一步增强。在XRD中，观察到α'-Ti相的衍射峰。没有观察到SiO2或Cu的独立衍射峰，表明材料呈均匀分布。
图3. (a) 骨植入示意图。(b) 戈莫理氏（Gomori）三色染色的体内骨切片显微图。(c) 苏木精-伊红（H&E）染色的骨切片显微图。
植入物在大鼠远端股骨外侧髁区域植入，以及通过组织生长和与宿主骨表面附着的早期骨整合过程。该过程包括骨母细胞的聚集，随后在6周内形成成熟骨组织。Gomori三色染色的体内骨切片显微图揭示了CpTi材料在骨-植入界面处存在间隙，表明骨整合较差。而CpTi-SiO2和CpTi-SiO2–Cu材料在界面处没有出现间隙，相反，矿化前沿被观察到渗透到植入物区域，并且胶原蛋白与肌纤维交织在一起。苏木精-伊红（H&E）染色的骨切片显微图显示未见炎症标志物。对于CpTi，骨-植入接触处某些区域缺乏矿化骨形成。CpTi-SiO2和CpTi-SiO2-3Cu则表现出矿化骨直接与植入物外表面接触。
图4.桑德森快速骨染色 (SRBS) 体内骨切片显微图，图像显示了骨基质衬里、骨母细胞聚集和矿化骨形成的显著特征。
在CpTi的骨-植入接触区域，某些区域缺乏矿化骨形成。CpTi-SiO2和CpTi-SiO2-3Cu则在界面处显示出较厚的骨形成区域。对于CpTi-SiO2-3Cu，植入物孔隙内的组织浸润表明由于骨整合延迟，未形成成熟骨。针对骨-植入接触处矿化骨形成的定量组织形态学分析显示，CpTi-SiO2的骨形成量最高，其次是CpTi-SiO2-3Cu，CpTi则最少。
图5. (a) 培养24小时后的琼脂平板图像和培养24、48、72小时后金黄色葡萄球菌（S. aureus）细菌在CpTi和CpTi-SiO2-3Cu上的扫描电子显微镜（SEM）图像（5000倍放大）。(b) 更高放大倍率的SEM图像。
24小时后，CpTi-SiO2-3Cu上细菌菌落数明显较CpTi减少，表明铜的抗菌作用。SEM图像显示，与CpTi相比，CpTi-SiO2-3Cu表面浮游型金黄色葡萄球菌数量有所减少。细菌计数结果表明，CpTi-SiO2-3Cu上的细菌存活率逐渐下降，在72小时结束时显示出最低的细菌存活率（即最高的抗菌效率）。更高放大倍率的SEM图像揭示了铜的接触杀菌机制，细菌细胞膜壁破裂（48小时）、细胞质外流和细菌细胞形态塌陷（72小时）。
本文探索了一种多元化的CpTi化学组成：在CpTi中加入1wt %的促血管生成和骨生成的SiO2以及3wt %的抗菌Cu。这些复合材料通过AM加工，形成有孔隙度的结构，促进植入物表面的骨整合。体内研究显示，CpTi-SiO2在早期骨整合性能上优于CpTi。定性比较表明，CpTi的骨-植入界面处存在间隙，而CpTi-SiO2的组织浸润表明组织对CpTi-SiO2化学成分的生长和成熟具有更高的亲和力。定量组织形态学分析显示，CpTi-SiO2的骨形成量是CpTi的4.5倍。尽管铜在大剂量时具有细胞毒性，但CpTi-SiO2-3Cu中3wt %的Cu并未显示炎症标志物，但与CpTi-SiO2相比，骨整合反应略有延迟。CpTi-SiO2-3Cu的骨形成量是CpTi的3倍。与S. aureus的体外细菌研究表明，CpTi-SiO2-3Cu在72小时后表现出比CpTi高出85%的抗菌效率。CpTi-SiO2-3Cu能够增强骨的形成和成熟以及具有优异的抗菌能力，具有取代CpTi的潜力，从而减少由于植入物附着不良和细菌感染所导致的修复手术的需求。
近期，该研究成果以“Additively Manufactured SiO2 and Cu-Added Ti Implants for Synergistic Enhancement of Bone Formation and Antibacterial Efficacy”为题发表于学术期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》。论文第一作者为Sushant Ciliveri，通讯作者为华盛顿州立大学的Amit Bandyopadhyay。
撰稿人：姜 莹
审稿人：胡惠钧
论文全文链接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c14994
抗菌抗污材料前沿
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