自然子刊:“金属骨”——钛合金 能加速骨再生

来源：生物勘探2021-12-02 08:08

医用钛合金不仅无毒、质轻、耐腐蚀，而且具有优良的生物相容性和与人体骨骼结合的天然能力。可作为人体的植入物，是理想的医用金属材料。漫威宇宙的x战警电影系列，金刚狼的钛合金人骨展现出巨大的力量，坚不可摧。如果我们在现实世界中用钛合金代替医用钛合金，或者用钛合金骨头代替我们自己的骨头，我们也会变得更强吗？天津大学，河北工业

医用钛合金不仅无毒、质轻、耐腐蚀，而且具有优良的生物相容性和与人体骨骼结合的天然能力。可作为人体的植入物，是理想的医用金属材料。

漫威宇宙的x战警电影系列，金刚狼的钛合金人骨展现出巨大的力量，坚不可摧。如果我们在现实世界中用钛合金代替医用钛合金，或者用钛合金骨头代替我们自己的骨头，我们也会变得更强吗？

天津大学、河北工业大学、湖北大学等研究机构在Nature子刊《Nature Communication》上发表了题为《自激活抗感染种植体》的研究论文，表明HA/MoS2涂层修饰的Ti6Al4V(Ti6)钛合金种植体对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌表现出较高的抗菌效果，并可通过促进间充质骨的成骨分化来加速骨再生。

在临床骨外科手术中，很难同时给予种植体良好的成骨能力和抗菌活性。细菌感染和与宿主组织骨结合不充分延缓了患者的恢复时间，增加了术后发病率。种植体成功的关键在于种植体上骨细胞的快速成骨分化，同时预防感染。

羟基磷灰石具有良好的骨传导性，已被广泛应用于牙科和骨科植入物的骨结合。硫化钼(MoS2)具有良好的生物相容性，其独特的物理和光电特性使其对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌都具有优异的杀菌能力。

在这项研究中，研究人员使用激光熔覆和化学气相沉积(CVD)来制备HA/MoS2涂层改性的Ti6Al4V(Ti6)植入物。HA/MoS2涂层利用金黄色葡萄球菌和大肠杆菌代谢过程产生的能量，无需额外能量即可触发HA/MoS2-Ti6的抗菌活性。这是一个自我激活的抗感染过程，通过上调Ca2水平，提高骨髓间充质的存活率，促进骨髓间充质的成骨分化。

该项目的研究人员分析了透明质酸/二硫化钼-六硫化钼之间的相互作用，并在不同的基质上培养细菌。相比之下，HA/Mos2Ti6组菌落数量较少，说明其不仅具有良好的广谱抗菌性能，而且对MRSA也具有较强的抗菌能力。

研究的另一部分是分析HA/Mos2Ti6的成骨能力，研究HA/Mos2Ti6对干细胞潜能的影响。HA/Mos2Ti6组细胞内Ca2水平明显高于Ti6组。高水平的钙离子被转运到线粒体，调节线粒体代谢，引起线粒体膜短暂去极化。内质网钙离子的这种波动在细胞增殖中起着重要的生理作用，表明HA/MoS2-Ti6种植体具有较强的体外成骨分化能力。研究人员使用DAPI(4 '，6-二氨基-2-苯基吲哚)和四甲基罗丹明(TRITC)与阴茎状蛋白(肌动蛋白)结合来表征不同样品存在下的间质形态。与Ti6组相比，培养1天、3天和7天后，HA/mos2Ti6组的细胞存活率和细胞活力显著提高。

根据上述结果，HA/Mos2Ti6种植体在体外具有优异的抗菌和成骨性能，因此研究人员选择在体内进行研究。他们将HA/Mos2Ti6植入物放入雄性大鼠的胫骨中，X射线图像显示了植入物的位置(图中红色箭头)。植入14天后，通过he染色和姬姆萨染色评估植入物周围骨组织的炎症反应和残留细菌。14天后观察到HA/Mos2Ti6组细菌较少，而Ti6组细菌较多，进一步证明了HA/Mos2Ti6组在体内的高效抗菌作用。

植入后4周，研究人员通过显微CT对不同样本的骨再生能力进行评估，结果显示HA/MoS2-Ti6组具有优异的成骨能力。H E染色检测心、肝、脾、肺、肾等主要器官的体内毒理学，未见器官损伤迹象，表明制备的材料无明显组织毒理学。以上结果表明，合成的HA/MoS2Ti6不仅具有自抗菌性能，而且具有良好的骨导电性，这使得激光熔覆制备的HA/MoS2涂层成为同时解决人工种植体感染和骨整合两大难题的有效策略。

综上所述，激光熔覆法制备的HA/MoS2涂层利用了骨髓间充质之间能量代谢的差异，在杀灭病原菌的同时促进了钛种植体的骨再生。本研究有望提高骨科植入物的抗感染能力和成骨能力，降低术后发病率，造福患者。(100yiyao.com)

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