南昌大学王小磊/廖岚Small：多效成骨和定制抗菌的电活性植入物涂层，有效预防种植失败！

骨整合不足和植入部位感染是导致口腔种植失败的主要原因。钛及钛合金是目前常用的口腔种植体，然而，钛植入物因其生物学惰性导致其在免疫调节骨再生和抗菌方面存在缺陷。因此，在促进骨整合的同时，控制植入物周围细菌感染并调节植入物周围免疫微环境是口腔种植领域的重要方向。南昌大学王小磊/廖岚提出了一种具有时效性电刺激免疫调节、多效成骨，并由超声控制定制化抗菌的生物电活性钛酸钙（CT-P）涂层。该涂层首次将钛酸钙（CaTiO3，简称CT）作为具有时效性电刺激的发生器来调节植入物周围骨免疫微环境，并可满足骨修复过程生理电势变化。同时，其可为骨缺损处提供钙源从而达到多效促成骨的作用。另一方面，该涂层的超声响应特性使植入物能够实现无创、按需且有效的定制化抗菌，选择临床常用的超声设备进行处理，可在保证抗菌效率的同时，从根本上降低了细菌耐药出现的风险。总之，这种多效成骨且灵活抗菌的电活性植入物涂层，为当前钛种植体面临的两大威胁（骨整合不足和植入部位感染）提供了新的解决方案，将在口腔、骨科等植入领域有广泛的应用前景。该研究以题为“Time-Dependent Electrical Active and Ultrasound-Responsive Calcium Titanate Implant Coating with Immunomodulation, Osteogenesis, and Customized Antibacterial Activity”的论文发表在《 Small 》上。

该研究提出的电活性钛酸钙（CT-P）涂层具有以下优点（示意图1）：（1）免疫调节的规律性：受电容器高压极化后可以产生电刺激应用于骨缺损修复的启发，采用CT涂层作为钛表面产生电刺激的电容器，其具有良好的电荷保留能力和良好的生物相容性，在极化后所产生的电微环境可以调节免疫微环境，促进骨再生。（2）成骨的有效性：受骨组织愈合过程中缺损区域电位变化的启发，采用时间依赖的电刺激去增强骨再生。在骨缺损愈合过程中，涂层具有有效且可调整的表面负电位，能更好地进行骨修复。更重要的是，钙元素是骨组织的重要组成元素，作为涂层可为种植体植入后的骨再生提供钙源，具有更好的成骨潜能。（3）设备的可获得性：受超声波洁牙的启发，超声探头可以作为产生超声刺激的设备进行定制抗菌。同时，超声相较于光催化的常用光源（如紫外、蓝光）具有良好的组织穿透能力。与近红外相比，超声设备容易获得，操作条件可控。（4）抗菌的灵活性：受部分光响应材料可被超声催化的启发，采用具备光催化潜力的CT作为声催化剂，其可在超声刺激下产生活性氧进行定制化抗菌。可基于植入区域是否存在细菌感染的实际情况，来选择是否进行超声处理。这样不仅能保证抗菌效率，也能避免抗菌剂的滥用，从根本上降低了耐药菌的出现概率。总之，CT-P涂层作为一种多重调节成骨且无抗生素的策略在口腔种植领域具有广泛的应用前景。

示意图1 CT-P涂层在口腔种植体骨整合不足和感染中的应用示意图

【CT-P涂层的合成与表征】

钛酸钙（CaTiO3，CT）是一种典型的钙钛矿陶瓷，其具有四方晶体结构，一般情况下不表现出铁电性。在外加电场作用下，其内部晶体结构发生形变而产生电学效应，这为其在骨组织再生的应用提供了可能。该研究采用一步水热法在纯钛表面制备CT涂层，再采用电晕极化装置对涂层进行极化处理，得到钛表面携带负电位的CT-P涂层。有趣的是，CT-P涂层表面电势具有时间依赖性，这为其去匹配骨组织愈合过程中变化的生理电势微环境来说具有重要意义。随着骨组织逐渐形成，负电势慢慢衰减直至趋于稳定，以便于涂层和骨组织之间形成更好的骨整合。

图1 CT-P涂层的合成和表征

【CT-P涂层的超声响应性和抗菌活性】

金黄色葡萄球菌仍然是口腔种植手术感染较常见的致病菌，而CT-P涂层的超声响应性能是其产生抗菌效果的关键，该研究采用金黄色葡萄球菌对CT-P涂层进行了超声刺激下抗菌性能的检测。超声刺激（1.0 MHz, 1.5 W/cm2）下，CT-P涂层表面电流相比较未施加超声刺激时有所上升，这说明了在超声作用下，涂层具有电荷转移能力，这为其在超声下产生活性氧提供了来源。在超声条件下，纯钛表面细菌形态正常，而CT-P涂层表面细菌的细胞膜均出现了明显皱褶，甚至破裂。平板计数显示超声下CT-P涂层的抗菌率可达到90.04% ± 0.04%，说明CT-P涂层具有良好的超声响应抗菌性能。与添加天然抗菌金属离子不同的是，CT-P涂层随着超声的开启和关闭，真的能实现可灵活控制的定制化抗菌。CT-P涂层抗金黄色葡萄球菌的作用机制可能是增强细菌细胞膜的通透性，导致细菌的蛋白质渗漏。

图2 CT-P涂层的超声响应性和抗菌活性

【CT-P涂层对成骨细胞粘附和分化的影响】

电刺激有助于刺激成骨细胞的黏附、增殖和成骨分化，这将有利于种植体周围骨整合。该研究使用MC3T3细胞在体外评估了CT-P涂层对细胞黏附和成骨分化的作用。CT-P涂层表面细胞形态铺展且伪足明显，表明涂层产生的电刺激可显著提高成骨细胞的粘附能力。同时，CT-P涂层相较于纯钛具有更高的碱性磷酸酶表达水平和更多的矿化结节，能显著促进成骨基因表达。上述结果说明了CT-P涂层携带有效的电刺激，可显著促进成骨分化。

图3 CT-P涂层对成骨细胞粘附和分化的影响

【CT-P涂层的免疫调节作用】

骨生物材料的设计原则正在从“免疫回避”向“免疫调节”发展。口腔植入材料表面应该具有“骨免疫调节性”功能，即能够调节局部免疫反应，从而形成有利于骨再生的微环境。巨噬细胞极化在调节免疫微环境，促进骨再生中起着重要作用。该研究选择了RAW 264.7巨噬细胞来评估CT-P涂层的免疫调节作用。结果发现，携带电刺激的CT-P涂层可以有效逆转炎症微环境，抑制促炎的M1型巨噬细胞，促进抗炎的M2型巨噬细胞，为骨再生提供良好的微环境，促进植入物骨整合。

    

图4 CT-P涂层的免疫调节作用

【超声条件下CT-P涂层的体内抗菌性能】

该研究构建了金黄色葡萄球菌感染的大鼠皮下植入模型，分析了超声刺激下CT-P涂层的体内抗菌效果。经过超声治疗后，CT-P涂层植入物表面剩余的菌落明显少于纯钛植入物，这一结果也进一步证实了CT-P涂层在超声治疗后可成功抑制植入物周围金黄色葡萄球菌感染。组织切片分析，发现CT-P涂层细菌数量明显减少且不会引起炎症反应。这可能是由于两方面原因，第一，由于超声治疗后细菌负荷减轻，组织炎症细胞浸润减少；第二，电刺激有一个控制炎症的作用，CT-P涂层携带的电刺激减轻了组织炎症。总的来说，采用超声刺激CT-P涂层进行抗菌，是一种很有前途的抑制植入物感染的策略。

图5 超声条件下CT-P涂层的体内抗菌作用

【CT-P涂层体内骨整合性能】

该研究采用大鼠股骨植入物模型来评估CT-P涂层在体内的成骨能力。结果表明，CT-P涂层植入物表面骨沉积明显，具有更多的骨小梁，相较与纯钛植入物有更多的新骨形成。以上说明了CT-P涂层对于种植体周围骨整合具有良好的促进作用，虽然超声可能会影响植体后期骨整合情况，但是其促进骨整合作用仍然优于钛种植体，这更体现出我们的体系具有灵活选择性抗菌和有效促进成骨的功能。

图6 CT-P涂层体内骨整合性能

【CT-P涂层的体内免疫调节作用】

开发钛植入材料表面的“骨免疫调节性”功能，能够形成有利于骨再生的微环境。基于此，该研究分析了CT-P涂层植入后早期及中期的体内免疫调节作用。结果表明，CT-P涂层的炎症反应较轻，说明了电刺激下炎症反应得到有效抑制。与纯钛相比，CT-P涂层植入物降低了种植体周围骨组织中M1巨噬细胞的比例，增加了M2巨噬细胞的比例，从而抑制了种植体周围组织中促炎因子的表达，促进了抑炎因子的表达。上述结果均证明了CT-P涂层良好的体内免疫调节作用。

图7 CT-P涂层体内免疫调节作用

【CT-P涂层的免疫调节机制】

为了进一步探讨CT-P涂层早期免疫调节作用的生物学机制，该研究进行了转录组测序实验。结果表明，CT-P涂层可能通过抑制NF-κB信号通路、MAPK信号通路等炎症反应相关信号通路抑制炎症，调节免疫微环境促进成骨。

图8 CT-P涂层的免疫调机制

【小结】

该研究提出了钛植入物表面CT-P涂层用于治疗种植体周围骨整合不足和相关感染。该涂层首次使用CT作为电刺激的发生器来匹配骨修复过程中的生理电位变化，并调节种植体周围骨组织的免疫微环境。同时，该涂层的超声响应性能允许植入物周围定制化的抗菌治疗。综上所述，这种具有多功能成骨和按需抗菌的电活性涂层有望治疗植入物相关疾病，如种植体周围炎、感染性骨缺损等。

示意图2 生物电活性CT-P涂层用于免疫调节、成骨和选择性超声反应性抗菌治疗

【作者简介】

南昌大学博士生代香林、本科生李天泽为该文的共同第一作者，南昌大学王小磊教授、廖岚教授为该文的共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、江西省自然科学基金重点项目、南昌大学交叉学科创新基金项目等基金的资助和支持。

代香林（第一作者）：南昌大学口腔医学院2022级牙医学博士研究生。

李天泽（第一作者）：南昌大学口腔医学院2022级口腔医学专业本科生。

王小磊（通讯作者）：青年长江学者，国家有突出贡献中青年专家，享受国务院津贴。二级教授、博士生导师，际銮书院与未来技术学院院长兼教务处副处长。江西省政协常委，江西省青年科技工作者协会名誉会长，九三学社南昌大学基层委员会主委，江西省九三学社青工委主任。南昌大学“光健康新材料技术国家一流学科特区”子方向负责人，南昌大学首批“十大优秀研究生导师”。

廖岚（通讯作者）：南昌大学第一附属医院党委书记、教授、主任医师，博士生导师、国际牙医师学院（ICD）中国区院士。担任中华口腔医学会口腔医学教育专委会常委、中华口腔医学会口腔修复专业委员会常委、中华口腔医学会第六届口腔颌面放射专业委员会委员，江西省口腔生物医学重点实验室-口腔生物材料方向学科带头人。

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来源：BioMed科技