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文獻(xiàn)解讀|功能鈦植入物如何實(shí)現(xiàn)“抗炎促骨”雙效突破？

引言

鈦及其合金因其優(yōu)異的機(jī)械性能、生物相容性和耐腐蝕性，被廣泛應(yīng)用于骨科植入物。然而，鈦植入物表面因生物惰性而導(dǎo)致的細(xì)菌感染和骨整合延遲問題，一直是臨床上的兩大挑戰(zhàn)。細(xì)菌感染不僅會(huì)導(dǎo)致手術(shù)失敗，還可能引發(fā)嚴(yán)重的并發(fā)癥，甚至危及患者生命。而骨整合延遲則可能導(dǎo)致植入物松動(dòng)，進(jìn)一步加劇感染風(fēng)險(xiǎn)。如何同時(shí)解決這兩個(gè)問題，成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

最近，來自華南理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在《Biomaterials》期刊上發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究，他們開發(fā)了一種基于介孔二氧化硅納米顆粒（MSNs）的功能化鈦植入物，能夠?qū)崿F(xiàn)抗菌肽（AMP）的可控釋放，顯著提升了植入物的抗菌性能和骨整合能力。這一研究成果為骨科植入物的未來發(fā)展提供了新的思路。

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研究亮點(diǎn)分析

雙重功能：抗菌與骨整合

研究團(tuán)隊(duì)通過將抗菌肽HHG36負(fù)載到二硒鍵橋接的介孔二氧化硅納米顆粒（MSNs）中，并將其固定在鈦植入物表面，制備出了一種新型功能化鈦植入物（Ti-M@A）（見Fig.1a）。這種植入物不僅能夠持續(xù)釋放抗菌肽，有效殺滅多種臨床常見細(xì)菌（如金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、銅綠假單胞菌和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌），還能通過硒元素促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化，顯著提升骨整合效果。

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可控釋放：響應(yīng)細(xì)菌感染的微環(huán)境

該植入物能夠在生理?xiàng)l件下持續(xù)釋放抗菌肽長(zhǎng)達(dá)30天，且在細(xì)菌感染引發(fā)的氧化應(yīng)激微環(huán)境中（如過氧化氫濃度升高時(shí)），抗菌肽的釋放速度會(huì)顯著加快，實(shí)現(xiàn)“按需釋放”。這種智能響應(yīng)機(jī)制確保了抗菌肽在感染發(fā)生時(shí)能夠迅速發(fā)揮作用，而在正常生理?xiàng)l件下則保持低毒性。

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優(yōu)異的生物相容性與抗炎效果

體外實(shí)驗(yàn)表明，Ti-M@A植入物對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和巨噬細(xì)胞均表現(xiàn)出良好的生物相容性。此外，植入物表面的硒元素能夠有效清除巨噬細(xì)胞中的活性氧（ROS），促進(jìn)巨噬細(xì)胞向抗炎的M2型極化從而減輕炎癥反應(yīng)，促進(jìn)組織修復(fù)。（見Fig.5）

為了評(píng)估巨噬細(xì)胞的極化，采用流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)不同底物上M1型巨噬細(xì)胞（CD86）和M2型巨噬細(xì)胞（CD206）的特征性標(biāo)記物。巨噬細(xì)胞（RAW 264.7）被移入24孔板中，用PBS沖洗。然后用細(xì)胞刮板收集細(xì)胞，用封閉緩沖液沖洗20 min，然后清洗細(xì)胞并染色CD11b/BV510 、CD86/APC、CD206/FITC，利用流式細(xì)胞儀精確地量化這些標(biāo)志物的表達(dá)，進(jìn)行極化分析。

（流式細(xì)胞分析數(shù)據(jù)來自北京層浪生物技術(shù)有限公司，FongCyte?）

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優(yōu)異的生物相容性與抗炎效果

在兔子的骨缺損模型中（見Fig.6），Ti-M@A植入物在感染和非感染條件下均表現(xiàn)出優(yōu)異的骨整合能力。特別是在感染模型中（見Fig.7），Ti-M@A能夠殺滅超過98.82%的金黃色葡萄球菌，并顯著減少炎癥細(xì)胞的浸潤(rùn)，促進(jìn)骨組織的再生。

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研究意義

這項(xiàng)研究不僅提供了一種新型的功能化鈦植入物設(shè)計(jì)策略，還展示了如何通過納米材料的智能響應(yīng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)抗菌與骨整合的雙重功能。Ti-M@A植入物的成功開發(fā)，為未來骨科植入物的臨床應(yīng)用提供了新的可能性，尤其是在預(yù)防植入物相關(guān)感染和促進(jìn)骨整合方面具有重要的臨床意義。此外，研究團(tuán)隊(duì)還展示了該系統(tǒng)的廣泛適用性，通過替換不同的抗菌肽（如YGFGG），可以進(jìn)一步擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。未來，這種基于MSNs的功能化鈦植入物有望在更多臨床場(chǎng)景中得到應(yīng)用，為患者提供更安全、更有效的治療方案。

隨著生物材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，功能化植入物的研究正朝著更加智能化、個(gè)性化的方向發(fā)展。這項(xiàng)研究的成功，不僅為骨科植入物的設(shè)計(jì)提供了新的思路，也為其他領(lǐng)域的生物材料研究帶來了啟發(fā)。我們期待在未來層浪生物能助力更多類似的創(chuàng)新成果，為患者帶來更好的治療效果。

參考文獻(xiàn)：

Dong, J., Chen, F., Yao, Y., et al. (2024). Bioactive mesoporous silica nanoparticle-functionalized titanium implants with controllable antimicrobial peptide release potentiate the regulation of inflammation and osseointegration. *Biomaterials*, 305, 122465.

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文獻(xiàn)解讀|功能鈦植入物如何實(shí)現(xiàn)“抗炎促骨”雙效突破？

雙重功能：抗菌與骨整合

文獻(xiàn)解讀|功能鈦植入物如何實(shí)現(xiàn)“抗炎促骨”雙效突破？