聚醚醚酮表面离子/免疫微环境动态调控实现序贯抗感染与骨整合的多层膜构建

为解决骨科植入物早期感染和后期骨整合不良的临床难题，研究人员通过等离子体浸没离子注入(PIII)和射频磁控溅射(RFMS)技术在聚醚醚酮(PEEK)表面构建了具有差异降解速率的氧化镁(MgO)多层膜。该膜通过动态调控离子(Mg2+/OH-)和免疫微环境，实现早期快速杀菌（抗菌率>99%）和后期持续促骨生成（骨体积分数提升2.1倍），为智能植入材料设计提供了新范式。

　　

骨科植入物面临着一个棘手的矛盾：植入初期容易发生细菌感染，而后期又常因骨整合不良导致松动。聚醚醚酮(PEEK)虽具有优异的机械性能，但其生物惰性使其在临床应用中备受困扰。更复杂的是，植入部位微环境会随时间动态变化——早期需要强效抗菌，后期则需促进骨再生。传统材料往往只能静态调控微环境，难以匹配这种时序性需求。

针对这一挑战，中国科学院上海硅酸盐研究所的Zhou Junjie团队在《Bioactive Materials》发表研究，创新性地提出"离子-免疫协同调控"策略。他们通过等离子体浸没离子注入(PIII)和射频磁控溅射(RFMS)技术，在PEEK表面构建了具有梯度降解特性的MgO多层膜。外层MgO沉积层(452.4nm)快速降解，内层MgO嵌入层缓慢释放，这种精巧设计实现了微环境的时空动态调控。

关键技术方法

研究采用SD大鼠股骨植入模型(32只)和骨髓炎模型(8只)进行体内验证。通过ICP-AES检测Mg²⁺释放动力学，流式细胞术分析巨噬细胞表型(CD86⁺/CD206⁺)，Micro-CT量化骨再生参数(BV/TV/Tb.N)。体外建立细菌-免疫细胞-成骨细胞三重共培养体系，结合HE染色、免疫荧光(iNOS⁺/Arg-1⁺)等多维度评价体系。

研究结果

1. 材料表征与降解动力学

• 截面SEM显示MgO@Mg-PEEK具有清晰的双层结构，XRD证实MgO以晶体形式存在(2θ=42.9°)。

• 浸泡实验显示外层MgO在3天内完全降解(pH峰值达9.2)，而内层可持续释放Mg²⁺至14天。

2. 时序免疫调控

• 早期(3天)：高浓度OH^-诱导巨噬细胞M1极化(CD86⁺细胞占比提升3.8倍)，增强对浮游菌的吞噬效率(PS微球摄取量增加210%)。

• 后期(6天)：持续低剂量Mg²⁺促进M2极化(IL-10基因表达上调4.2倍)，分泌促成骨因子。

3. 双重抗菌机制

• 表面接触杀菌：碱性微环境破坏细菌质子梯度，使ATP合成降低87%。

• 免疫协同杀菌：M1巨噬细胞对浮游E.coli的清除率达99.5%。

4. 协同促成骨效应

• 直接刺激：Mg²⁺促进MC3T3细胞ALP活性提升2.3倍。

• 间接调控：M2巨噬细胞条件培养基使胶原分泌量增加180%。

5. 体内验证

• 骨髓炎模型显示双重抗菌效果：材料表面细菌减少99%，周围组织无菌落形成。

• 6周时Micro-CT显示MgO@Mg-PEEK组骨密度(BMD)较PEEK提升158%，Masson染色显示新生胶原完全包绕植入体。

这项研究的突破性在于首次实现了植入体表面微环境的"自驱动时序调控"。通过精确控制MgO降解动力学，材料能智能匹配组织愈合的不同阶段需求——先营造杀菌环境，后转换至促再生模式。更巧妙的是，通过调整外层厚度(30/60/90分钟溅射)，可定制M1极化的持续时间，为个性化治疗提供可能。

该研究不仅为PEEK植入物功能化提供了新思路，更开创了"材料引导的免疫编程"新范式。未来或可拓展至其他金属氧化物体系，用于心血管支架、人工关节等多场景，推动植入材料进入"智能响应"时代。值得注意的是，该技术仅使用生物相容性元素(Mg/O)，避免了抗生素或生长因子的潜在风险，具有显著的临床转化优势。