醫(yī)用金屬材料（鈦合金、不銹鋼、鈷基合金等）因具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、加工成形性能和臨床使用的可靠性，在骨科、齒科、管腔支架等臨床領(lǐng)域獲得大量應(yīng)用，如心血管支架、骨折固定器械、人工關(guān)節(jié)、脊柱矯正、牙種植體等。隨著我國逐漸步入老齡化社會，心腦血管疾病、骨質(zhì)疏松性骨折、牙缺失等問題日益增多，用于人體組織器官修復(fù)和替換的金屬醫(yī)療器械扮演著不可替代的重要角色。

然而，醫(yī)療器械引發(fā)的細(xì)菌感染問題已成為臨床上長期存在的痛點(diǎn)問題。針對金屬植入器械引發(fā)感染的重要臨床問題，中科院金屬所楊柯、任玲研究團(tuán)隊(duì)提出了發(fā)展抗菌醫(yī)用金屬的創(chuàng)新思想。近期，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的抗菌Ti-Cu牙種植體、抗菌Ti6Al4V-Cu骨折固定器械在口腔、骨科等領(lǐng)域中的應(yīng)用研究取得重要進(jìn)展。    

針對牙種植體周圍炎頻發(fā)等口腔臨床問題，團(tuán)隊(duì)與香港中文大學(xué)、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、中國人民解放軍北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院口腔科合作，通過高糖飲食并利用比格犬口腔自身細(xì)菌構(gòu)建動(dòng)物模型，對標(biāo)市售性價(jià)比高、用量大的登騰種植體，首次利用宏基因組學(xué)技術(shù)從口腔微生態(tài)平衡角度研究了Ti-Cu種植體的抗感染機(jī)制及其對口腔微生物組的影響。

研究結(jié)果表明，與登騰種植體相比，Ti-Cu種植體能維持其周圍厭氧菌和需氧菌之間的菌群平衡，促進(jìn)口腔正常有氧呼吸代謝微環(huán)境，避免微環(huán)境趨于厭氧與酸化，抑制厭氧產(chǎn)酸菌繁殖，進(jìn)而抑制種植體周圍炎的發(fā)生（圖1）。這一結(jié)果打破了“抗菌材料在動(dòng)物體內(nèi)殺死細(xì)菌”的傳統(tǒng)觀念。相關(guān)研究成果于6月16日在線發(fā)表在Bioactive Materials雜志上。金屬所2019級博士生劉徽為第一作者，中國人民解放軍北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院口腔科湯雨龍副主任醫(yī)師為共同第一作者，金屬所任玲項(xiàng)目研究員、香港中文大學(xué)秦嶺教授、金屬所楊柯研究員為通訊作者。

耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）是骨科臨床上常見的毒性較強(qiáng)的細(xì)菌，非常容易引發(fā)骨科植入醫(yī)療器械的細(xì)菌感染。MRSA已被世界衛(wèi)生組織列為對公眾健康構(gòu)成重大威脅的病原體。針對以上骨科臨床問題，團(tuán)隊(duì)與上海交通大學(xué)附屬第九人民醫(yī)院骨科戴尅戎院士團(tuán)隊(duì)合作開展抗菌Ti6Al4V-Cu骨針在動(dòng)物體內(nèi)抗MRSA感染作用研究。研究結(jié)果表明，Ti6Al4V-Cu骨針可有效抑制骨內(nèi)發(fā)生MRSA感染，而Ti6Al4V骨針植入后出現(xiàn)嚴(yán)重的骨組織腫大、炎癥組織、表面粘附大量細(xì)菌等臨床感染現(xiàn)象（圖2）。抗感染機(jī)制研究表明，Ti6Al4V-Cu通過抑制細(xì)菌生物膜形成以及粘附相關(guān)基因表達(dá)，抑制了植入物感染的發(fā)生。該研究結(jié)果發(fā)表在Acta Biomaterialia雜志上。上海交通大學(xué)莊怡富醫(yī)師為第一作者，金屬所任玲項(xiàng)目研究員為共同第一作者，金屬所楊柯研究員、上海交通大學(xué)附屬第九人民醫(yī)院骨科戴尅戎院士為通訊作者。

團(tuán)隊(duì)研發(fā)的Ti-Cu、Ti6Al4V-Cu抗菌鈦合金在發(fā)揮抗感染功能的同時(shí)，兼具優(yōu)異的生物安全性。目前，Ti-Cu、Ti6Al4V-Cu均已在四川醫(yī)療器械生物材料和制品檢驗(yàn)中心完成全部生物相容性檢測，包括細(xì)胞毒性、致敏最大劑量、刺激、急性全身毒性、骨植入、Ames、染色體畸變、TK基因變等，材料完全符合國家醫(yī)用鈦合金標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。以上研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)與面上項(xiàng)目、中國科學(xué)院國際合作重點(diǎn)項(xiàng)目、遼寧省“興遼英才計(jì)劃”等項(xiàng)目的資助。

圖1  Ti-Cu合金抑制牙種植體周圍炎機(jī)制圖

圖2  Ti6Al4V-Cu骨針抗感染研究