上海硅酸盐所医用金属表面抗菌功能化研究取得进展

“抗菌兼成骨”效应在种植牙和人工关节等骨植入器械中有广泛需求。传统解决思路是将抗菌组分和促成骨组分机械混合施于基材表面，但这无法排除抗菌组分对正常细胞的不利影响，难以平衡临床“抗菌兼成骨”需求，不利于抗菌功能化技术的临床推广。

细菌感染是导致医用植入器械失效的重要原因之一。表面工程技术的发展为解决医用材料植入后的相关感染问题提供了新的途径。此前，中国科学院上海硅酸盐研究所生物材料表面与界面团队针对传统抗菌材料毒性大、抗菌活性不可控、抗菌与组织整合不兼容等问题，探索出了无机纳米抗菌材料可控镶嵌技术，提出基于“肖特基接触”和“微电池”效应赋予医用金属表面“安全”、“可控”抗菌功能。这些研究为“安全抗菌”型医用植入器械的研发和临床推广提供了科学依据和技术参考。

近日，上海硅酸盐所副研究员曹辉亮、研究员刘宣勇又基于贯通“材料”和“生物”领域的“质子耦合电子转移”理论，提出了“双功能微电池效应”抗菌思路。该思路将抗菌的惰性金属（如银）和促成骨的活泼金属（如钙）同时引入钛表面构建“双功能微电池”，利用“微电池”的阴极析氢反应“扰乱”细菌能量合成功能所依赖的“质子浓度梯度（PMF）”与“微电池”的阳极腐蚀（离子释放）反应“引诱”细菌“储备”活性离子（消耗能量），两者协同使细菌处于严重“应激”状态。这种“双功能微电池效应”可激活大鼠骨髓间充质干细胞整合素调控的成骨通路，促进骨整合。将抗菌与组织整合联合设计，成功制备了具有细胞选择特征的抗菌表面，为制造“抗菌兼成骨”型植入器械提供了新方向。

相关研究成果以Bifunctional galvanics mediated selective toxicity on titanium为题，发表在Materials Horizons上。

“双功能微电池效应”抗菌思路示意图