醫(yī)用鈦合金不僅質(zhì)量輕、抗腐蝕，而且具有很好的生物相容性和與人體骨結(jié)合的天然能力，可用作植入人體的植入物等，是很理想的醫(yī)用金屬材料。
漫威宇宙的X戰(zhàn)警系列電影，金剛狼的鈦合金人骨大展神威，堅(jiān)不可摧。如果我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界將醫(yī)用鈦合金，也同樣換到身體里，或者說把自己的骨頭換成鈦合金骨頭，那么我們是不是也會(huì)變得更加強(qiáng)大呢?
2021年11月25日，天津大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)、湖北大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)在Nature子刊《Nature Communication》發(fā)表了題為：Self-activating anti-infection implant的研究論文，表明經(jīng)過HA/MoS2涂層改性的Ti6Al4V（Ti6）鈦合金種植體，對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均表現(xiàn)出高效的抗菌作用，同時(shí)能通過促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化來加速骨再生。
在臨床骨外科手術(shù)中，很難同時(shí)賦予植入體良好的成骨能力和抗菌活性。細(xì)菌感染和與宿主組織的骨整合不足延誤了患者的恢復(fù)時(shí)間，增加了術(shù)后發(fā)病率。植入體成功的關(guān)鍵在于骨細(xì)胞在植入體上的快速成骨分化和同時(shí)防止細(xì)菌感染。
羥基磷灰石（HA）具有良好的骨傳導(dǎo)性，在牙科和骨科種植體的骨整合中得到了廣泛的應(yīng)用。硫化鉬（MoS2）除了具有良好的生物相容性外，該材料獨(dú)特的物理和光電特性使其對(duì)革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌均具有優(yōu)異的殺菌能力。
在此項(xiàng)研究中，研究人員通過采用激光熔覆和化學(xué)氣相沉積（CVD）方法，將上述兩種材料制備成HA/MoS2涂層改性的Ti6Al4V（Ti6）種植體。HA/MoS2涂層利用金黃色葡萄球菌和大腸桿菌代謝過程產(chǎn)生的能量，無需額外能量即可觸發(fā)HA/MoS2-Ti6的抗菌活性。這是一個(gè)自我激活的抗感染過程，同時(shí)可通過上調(diào)Ca2+水平提高骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的存活率，促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化。
該項(xiàng)目的研究人員通過在不同基質(zhì)上培養(yǎng)細(xì)菌，分析了HA/MoS2–Ti6與細(xì)菌之間的相互作用。相比之下，HA/MoS2–Ti6組只有少量菌落，表明其不僅具有良好的廣譜抗菌性能，而且對(duì)多藥耐藥的甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）也有較強(qiáng)的抗菌能力。
研究的另一部分是分析HA/MoS2–Ti6的成骨能力，研究了HA/MoS2–Ti6對(duì)干細(xì)胞潛能的影響。HA/MoS2–Ti6組的細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平遠(yuǎn)高于Ti6組。高水平的鈣離子被轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體，調(diào)節(jié)線粒體代謝，引起線粒體膜的短暫去極化。這種來自內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的鈣離子波動(dòng)對(duì)細(xì)胞增殖起著重要的生理作用，表明HA/MoS2-Ti6種植體在體外具有很強(qiáng)的成骨分化能力。研究者使用DAPI(4’，6-二氨基-2-苯基吲哚)和四甲基羅丹明(TRITC)和四甲基羅丹明(TRITC)偶聯(lián)phalloidin(actin)來表征不同樣品存在時(shí)，間質(zhì)干細(xì)胞的形態(tài)。與Ti6組相比，培養(yǎng)1天、3天和7天后，HA/MoS2–Ti6組的細(xì)胞存活率顯著提高，細(xì)胞活力明顯增強(qiáng)。
根據(jù)上述結(jié)果，HA/MoS2–Ti6種植體在體外的抗菌和成骨性能非常優(yōu)異，研究者因此選擇對(duì)其進(jìn)行體內(nèi)研究。他們將HA/MoS2–Ti6植入體置入雄性大鼠的脛骨中，植入位置通過X射線圖像顯示（圖中紅色箭頭）。植入14天后，通過蘇木精-伊紅（H&E）和Giemsa染色評(píng)估植入物周圍骨組織中的炎癥反應(yīng)和殘留細(xì)菌，14天后觀察到HA/MoS2–Ti6組中的細(xì)菌很少，而Ti6組中的細(xì)菌較多，進(jìn)一步證明了HA/MoS2–Ti組在體內(nèi)的高效抗菌效果。
植入4周后，研究者通過微型計(jì)算機(jī)斷層掃描（micro-CT）評(píng)估不同樣本的骨再生能力，結(jié)果顯示HA/MoS2-Ti6組的成骨能力優(yōu)異。通過H&染色檢測(cè)心臟、肝臟、脾臟、肺和腎臟等主要器官的體內(nèi)毒理學(xué)，未發(fā)現(xiàn)器官損傷跡象，表明制備材料沒有明顯的組織毒理學(xué)。以上結(jié)果表明，合成的HA/MoS2–Ti6不僅具有自抗菌性能，而且具有良好的骨傳導(dǎo)性，這使得激光熔覆制備的HA/MoS2涂層成為同時(shí)解決細(xì)菌感染和人工種植體骨整合兩大問題的有效策略。
綜上所述，激光熔覆法制備的HA/MoS2涂層利用了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞與細(xì)菌之間能量代謝的差異，在殺死病原菌的同時(shí)促進(jìn)了鈦種植體的骨再生。該研究有望提高骨科植入體的抗感染性能力和成骨能力，減少術(shù)后發(fā)病率，造福患者。
