醫用金屬材料（鈦合金、不銹鋼、鈷基合金等）因具有優異的綜合力學性能、加工成形性能和臨床使用的可靠性，在骨科、齒科、管腔支架等臨床領域獲得大量應用，如心血管支架、骨折固定器械、人工關節、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和替換的金屬醫療器械扮演著不可替代的重要角色。然而，醫療器械引發的細菌感染問題已成為臨床上長期存在的痛點問題。針對金屬植入器械引發感染的重要臨床問題，中科院金屬所楊柯、任玲研究團隊提出了發展抗菌醫用金屬的創新思想。近期，團隊研發的抗菌Ti-Cu牙種植體、抗菌Ti6Al4V-Cu骨折固定器械在口腔、骨科等領域中的應用研究取得重要進展。

　　針對牙種植體周圍炎頻發等口腔臨床問題，團隊與香港中文大學、中國科學院深圳先進技術研究院、中國人民解放軍北部戰區總醫院口腔科合作，通過高糖飲食并利用比格犬口腔自身細菌構建動物模型，對標市售性價比高、用量大的登騰種植體，首次利用宏基因組學技術從口腔微生態平衡角度研究了Ti-Cu種植體的抗感染機制及其對口腔微生物組的影響。研究結果表明，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，促進口腔正常有氧呼吸代謝微環境，避免微環境趨于厭氧與酸化，抑制厭氧產酸菌繁殖，進而抑制種植體周圍炎的發生（圖1）。這一結果打破了“抗菌材料在動物體內殺死細菌”的傳統觀念。相關研究成果于6月16日在線發表在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區總醫院口腔科湯雨龍副主任醫師為共同第一作者，金屬所任玲項目研究員、香港中文大學秦嶺教授、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的細菌，非常容易引發骨科植入醫療器械的細菌感染。MRSA已被世界衛生組織列為對公眾健康構成重大威脅的病原體。針對以上骨科臨床問題，團隊與上海交通大學附屬第九人民醫院骨科戴尅戎院士團隊合作開展抗菌Ti6Al4V-Cu骨針在動物體內抗MRSA感染作用研究。研究結果表明，Ti6Al4V-Cu骨針可有效抑制骨內發生MRSA感染，而Ti6Al4V骨針植入后出現嚴重的骨組織腫大、炎癥組織、表面粘附大量細菌等臨床感染現象（圖2）。抗感染機制研究表明，Ti6Al4V-Cu通過抑制細菌生物膜形成以及粘附相關基因表達，抑制了植入物感染的發生。該研究結果發表在Acta Biomaterialia雜志上。上海交通大學莊怡富醫師為第一作者，金屬所任玲項目研究員為共同第一作者，金屬所楊柯研究員、上海交通大學附屬第九人民醫院骨科戴尅戎院士為通訊作者。

　　團隊研發的Ti-Cu、Ti6Al4V-Cu抗菌鈦合金在發揮抗感染功能的同時，兼具優異的生物安全性。目前，Ti-Cu、Ti6Al4V-Cu均已在四川醫療器械生物材料和制品檢驗中心完成全部生物相容性檢測，包括細胞毒性、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用鈦合金標準的相關要求。以上研究得到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金重點與面上項目、中國科學院國際合作重點項目、遼寧省“興遼英才計劃”等項目的資助。

圖1 Ti-Cu合金抑制牙種植體周圍炎機制圖

圖2 Ti6Al4V-Cu骨針抗感染研究