可降解镁植入物搭载Caerin 1.9-聚己内酯涂层：兼具长效抗菌与卓越生物相容性的创新策略

《BIOMATERIALS RESEARCH》：Degradable Magnesium Implants with Caerin 1.9-Polycaprolactone Coatings Provide Extended Antibacterial Resistance and Outstanding Biocompatibility

本研究针对骨科植入物易发生感染及异物反应等临床难题，开发了一种新型可降解镁合金植入物表面修饰策略。研究人员通过将宿主防御肽Caerin 1.9（F3）嵌入生物可降解聚合物聚己内酯（PCL）涂层中，显著提升了镁（Mg）合金植入物的抗菌性能与生物相容性。体内外实验证实，该涂层系统对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）具有长达168小时的持续抑制作用，并通过蛋白质组学与代谢组学分析揭示了其促进成骨标志物表达、激活骨矿化相关通路的作用机制。该研究为开发兼具抗菌与组织再生功能的可降解金属植入材料提供了重要理论与实践依据。

　　

随着全球人口老龄化进程加速，骨质疏松及相关骨折发生率显著上升，对骨科植入材料提出了更高要求。传统金属植入物（如钛合金、不锈钢）由于弹性模量与人体骨骼差异较大，易导致应力遮挡效应，引起骨吸收和植入失败。同时，金属离子释放可能引发局部pH值升高，增加感染和炎症风险。尽管聚合物材料具有良好的生物相容性，但其机械性能往往难以满足承重需求。更棘手的是，无论是永久性还是临时性植入物，均面临围植入期感染（PPI）的严峻挑战——细菌定植和生物膜形成可导致手术失败，患者往往需要多次手术翻修，带来沉重的身心负担与经济压力。

在此背景下，可降解金属基生物材料（特别是镁、铁、锌合金）因其可降解特性与人体相容的力学性能而备受关注。镁合金的密度和弹性模量与人体骨骼相近，能有效避免应力遮挡，且镁离子作为人体必需元素，参与蛋白质合成、酶活化等重要生理过程。然而，镁合金在体内过快的降解速率会导致局部碱中毒、炎症反应等问题，限制其临床应用。此外，单纯镁金属的抗菌作用难以持久对抗耐药菌感染。因此，通过表面工程技术调控降解行为并赋予其长效抗菌功能，成为可降解镁合金植入物研发的关键突破口。

发表于《BIOMATERIALS RESEARCH》的这项研究，创新性地将天然宿主防御肽Caerin 1.9（F3）与生物可降解聚合物聚己内酯（PCL）结合，构建三维涂层系统修饰镁合金植入物表面。研究人员系统比较了纯镁（2P）、冷挤压AZ31（1E）和完全退火AZ31（3A）三种镁合金基底材料经PCL-F3涂层修饰后的性能差异。通过体外抗菌测试、大鼠股骨植入模型，结合蛋白质组学、代谢组学、组织病理学等多维度分析手段，全面评估了涂层材料的抗菌效能、降解行为、生物相容性及组织整合能力。

主要技术方法

研究采用完全退火处理的AZ31镁合金（3A）作为核心基底材料，通过浸涂法在合金表面构建PCL包载Caerin 1.9肽的三维涂层。利用扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）表征涂层形貌与元素分布，傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析化学结构，水接触角测试评估亲水性。体外抗菌实验采用MRSA菌株评估涂层长效抑菌效果；体内实验选用斯普拉格-达利（SD）大鼠股骨植入模型，通过组织学染色（HE染色）、酶联免疫吸附测定（ELISA）分析局部炎症反应，并采用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）技术进行蛋白质组与代谢组学分析。

Mg合金微观结构与力学性能表征

对三种镁合金基底的物理特性分析显示，完全退火AZ31（3A）具有适中的晶粒尺寸（15.9 μm）和均匀的微观结构。力学性能测试表明，3A的屈服强度达204.8 MPa，高于人体骨骼的130-180 MPa要求，且其微硬度（66.5 HV）介于高强度的冷挤压AZ31（1E，81.6 HV）与低强度纯镁（2P，41.5 HV）之间，展现出良好的力学适配性。电子背散射衍射（EBSD）图谱进一步揭示3A样品具有更高比例的一阶锥面织构，这可能影响其表面理化性质及与涂层的相互作用。

未涂层Mg合金与小鼠成骨前体细胞的相互作用

蛋白质组学分析发现，3A条件显著上调了组蛋白乙酰化调控因子BRPF1（溴结构域和PHD指蛋白1）的表达（提升64倍），该蛋白通过染色质重塑促进成骨相关基因转录。功能实验证实，3A组MC3T3-E1细胞的增殖活性提高16%，且细胞粘附能力增强——短时间胰酶消化无法使其脱壁，提示细胞外基质（ECM）成分或细胞连接结构发生改变。实时荧光定量PCR（qPCR）验证了Brpf1及细胞粘附相关基因Ctnna1的mRNA水平显著升高。通路富集分析显示，3A特异性激活了“结缔组织细胞结合”、“血管系统发育”、“骨矿化”等组织修复相关信号，同时抑制“出血”通路。

涂层Mg合金的特性

PCL-F3涂层在三种合金表面均形成约450 μm厚度的均匀覆盖，但3A-PCL-F3组的涂层重量最低（5.96 mg），提示其与基底结合更紧密。扫描电镜显示涂层表面呈现规则颗粒状结构，粗糙度显著增加（R_a从22.8 nm升至42.4 nm）。能谱分析证实氮、氧、碳元素在涂层内部分布均匀，表明肽分子分散良好。水接触角测试表明涂层显著提升了材料亲水性（3A从77.5°降至55.3°），有利于细胞粘附。傅里叶变换红外光谱在1,150 cm^-1波长处出现特征峰位移，提示PCL与F3肽之间存在氢键相互作用。

涂层Mg合金的长效抗菌与急性期免疫调控

体外抗菌实验显示，PCL-F3涂层使镁合金对MRSA的抑制时间延长至168小时，其中3A-PCL-F3组抗菌活性衰减最慢。大鼠植入模型证实，3A-PCL-F3组在感染急性期（72小时）组织内MRSA载量最低，且局部炎症反应轻微。蛋白质组学分析发现，3A-PCL-F3特异性激活了“吞噬作用”、“髓系细胞免疫反应”等抗菌相关通路，并上调抗原加工相关蛋白TAP1和SEC61A1的表达。值得注意的是，与其它合金相比，3A本身具有独特的免疫调节特性——显著抑制T细胞相关炎症信号（如IL-2、IL-4、CD28通路），同时激活“巨噬细胞IL-12产生”通路，提示其可能诱导免疫耐受，减轻组织损伤。

3A与3A-PCL-F3的生物相容性评估

植入3个月后的组织学分析显示，3A与3A-PCL-F3组的重要器官（脑、心、卵巢等）未出现病理改变，血清炎症因子（TNF-α、IL-1β、IL-10）水平与对照组无显著差异。蛋白质组学比较发现，3A-PCL-F3组差异表达蛋白主要富集于细胞外区域，涉及“胰岛素样生长因子转运调控”、“骨矿化”等过程；而3A组蛋白更多定位在线粒体，参与能量代谢。代谢组学数据显示，3A-PCL-F3显著促进NAD（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）生物合成和类固醇激素代谢，提示其增强能量供给并支持组织发育。至慢性期，两组材料的免疫激活程度均大幅降低，仅3A-PCL-F3保留颗粒酶A（GZMA）信号激活，该通路可能参与细胞外基质重塑。

讨论与展望

本研究系统阐释了完全退火AZ31镁合金（3A）及其PCL-F3涂层系统的多重优势：3A通过上调BRPF1等表观遗传调控因子促进成骨分化；PCL三维涂层通过缓释F3肽实现长效抗菌，其机制不同于二维共价固定涂层，后者肽分子消耗后无法补充。值得注意的是，尽管1E与3A化学成分相同，但3A的退火处理形成特定织构，可能影响表面能及涂层结合力，进而调控生物学响应。

未来研究需进一步明确退火工艺参数（如升温速率、保温时间）对合金微观结构及生物学效应的调控规律；解析PCL-F3涂层在生理环境下的肽释放动力学；采用高分辨率显微CT等技术长期追踪骨-植入物界面整合过程。此外，开发兼具抗菌与成骨诱导功能的双功能涂层，以及评估涂层在动态载荷下的机械稳定性，将是重要的推进方向。

综上所述，该研究成功构建了一种具有长效抗菌活性、优异生物相容性和成骨促进功能的可降解镁合金植入物。3A-PCL-F3复合材料通过精准调控免疫反应与代谢通路，实现了植入物与宿主的和谐共生，为下一代骨科植入材料的临床转化提供了坚实理论基础。