粗糙表面含铜金属的促成骨与抑制细菌粘附的协同作用研究

Rough surface can increase the osteo-integration ability of metal implant materials, but be in favor of bacterial adhesion, thus promoting formation biofilm and enhancing risk of infections. The newly developed Cu-bearing metal materials provide a possibility to solve this conflicting problem owing to the larger area of rough surface for Cu-bearing metals, resulting in more release of antibacterial Cu ions and thus reduction of bacterial adhesion on metal surface. This project will take both Cu-bearing antibacterial stainless steel and Cu-bearing antibacterial titanium alloys as the experimental materials, targeting at research on the synergetic effect and the related mechanism of promoting osteogenesis and inhibiting antibacterial adhesion for Cu-bearing metals with rough surfaces. Through studies on fabrication and characterization of different surface roughness, effect of promoting osteogenesis by rough surface, bacterial adhesion on rough surface, bio-safety of rough surface, animal implantation of rough surface metals, and so on, the project will creatively realize the synergetic effect of promoting osteogenesis and inhibiting antibacterial adhesion for Cu-bearing metals with rough surfaces, which will provide scientific evidence and technology basis for the development of new generation metal implant materials with both promoting osteogenesis and antibacterial functions.

粗糙表面可提高金属植入材料的骨整合能力，但却更有利于细菌的粘附，促进形成细菌生物膜，增大细菌感染的风险。自身具有抗菌功能的含铜医用金属新材料为解决这一相互矛盾问题提供了可能，因为粗糙表面增大了含铜金属的表面积，会有利于释放出更多的具有杀菌功能的铜离子，使细菌更不容易在材料表面上粘附。本项目将以含铜抗菌不锈钢和含铜抗菌钛合金为研究材料，以粗糙表面含铜抗菌金属的促成骨与抑制细菌粘附的协同作用及相关机制为主要研究目标，通过不同粗糙表面的构建及表征、粗糙表面的促成骨作用、粗糙表面上的细菌粘附、粗糙表面的生物安全性、粗糙表面金属的动物植入等相关研究，创新地实现粗糙表面含铜抗菌金属的促成骨与抑制细菌粘附的相互协同作用，为发展兼具促成骨和抗菌性能的新一代金属植入材料提供科学依据和奠定技术基础。

金属植入物粗糙表面的早期骨整合能力与增加细菌感染风险的矛盾问题是临床上亟待解决的重大问题。围绕含铜医用金属材料本项目重点开展了不同粗糙表面的构建及表征、促成骨作用、细菌黏附等相关问题研究，取得了重要科研成果。首先，采用大颗粒喷砂+酸蚀（SLA）工艺对含铜钛合金（Ti-Cu）合金进行表面粗糙化处理，通过扫描电镜、能谱分析、开尔文探针力显微镜等微观分析方法，阐明了Ti-Cu合金粗糙表面形貌的形成机制。第二，通过控制SLA工艺参数，分别在医用纯Ti以及Ti-Cu合金表面制备出一系列不同粗糙表面，即Sa：0.02 μm（Ti-P、TiCu-P）< 0.70 μm（Ti-I、TiCu-I）< 1.70 μm（Ti-II、TiCu-II）< 2.70 μm（Ti-III、TiCu-III）。通过表面形貌、表面能、表面电荷、表面成分、氧化层结构、Cu离子释放行为的演变规律等分析与研究，证实了粗糙表面Ti-Cu合金具有“诱捕杀菌”的功能，有效地抑制了金黄色葡萄球菌（S. aureus）生物膜的形成。此外，粗糙表面还加快了Cu离子的释放速度，促进小鼠胚胎成骨细胞前体细胞的骨相关基因的表达以及成骨矿化。其中，TiCu-III表面具有最佳的抗菌与促成骨协同作用。第三，采用临床分离的S. aureus菌株构建小鼠胫骨骨髓炎模型，通过对植入物周围的骨组织形态学观察以及细菌负荷分析，证实了在植入7天后，不同粗糙表面Ti-Cu植入物均能够有效抑制骨髓炎的发生，还能够调控骨形成与骨吸收的平衡状态，加速了植入物周围新骨重建过程。第四，通过经典缠线结扎配合富含蔗糖的食物饲养，建立比格犬口腔感染环境，并采用宏基因组测序技术，探究粗糙表面Ti-Cu牙种植体的抗感染与促成骨作用。研究结果发现，粗糙表面Ti-Cu种植体保证了菌斑中有氧菌和厌氧菌的物种平衡，抑制种植体周围感染的发生，同时发挥优异的骨整合作用。通过以上重要科学问题的深入和系统研究，为兼具促成骨和抗感染功能的含铜金属植入物的临床应用提供科学依据和奠定技术基础。