机械性能优异的钛铋合金通过破坏硫代谢和氧化还原稳态抑制金黄色葡萄球菌生物膜形成

这篇研究开创性地开发了具有机械强度和抗腐蚀性能的钛铋（Ti-Bi）合金植入材料，通过双机制（H2S耗竭和氧化还原酶竞争性结合）破坏金黄色葡萄球菌（S. aureus）的硫代谢通路（涉及cysteine/methionine代谢），显著抑制生物膜形成。体内外实验证实该材料能有效预防植入物相关感染（PJI），为骨科抗感染植入物设计提供了新策略。

　　

材料创新与表征

研究团队采用真空电弧熔炼技术制备了含铋（Bi）量2.5%-20%的钛铋（Ti-Bi）合金系统。扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）分析显示，除Ti-20Bi出现BiTi₃新相外，其余合金均保持α-Ti单相结构。力学测试表明，随着Bi含量增加，合金的抗拉强度（TS）和维氏硬度显著提升，其中Ti-20Bi的硬度比纯钛提高约30%。电化学测试在模拟体液（SBF）中证实，所有Ti-Bi合金均表现出优于纯钛的腐蚀抗力，开路电位（OCP）稳定在+0.2V左右，电化学阻抗谱（EIS）显示更大的容抗弧半径。

抗生物膜机制解析

体外抗菌实验显示，Ti-20Bi合金在72小时培养后可使金黄色葡萄球菌（ATCC 25923）的菌落形成单位（CFU）降低3个数量级。共聚焦显微镜（CLSM）三维重建显示，生物膜厚度从纯钛组的40μm降至Ti-20Bi组的8μm。蛋白质组学鉴定出446个差异表达蛋白（DEPs），其中生物膜相关蛋白（ClfA、Cna、LuxS等）普遍下调，而氧化还原酶（AhpF、SodM等）显著上调。代谢组学进一步揭示Bi通过捕获内源性H₂S，导致半胱氨酸代谢通路中断，关键代谢物如胱硫醚（cystathionine）水平下降60%。

分子机制验证

研究创新性发现Bi通过双重途径破坏细菌氧化还原稳态：一方面与H₂S形成Bi₂S₃沉淀，阻断硫源供应；另一方面直接结合烷基过氧化物还原酶（AhpC）和超氧化物歧化酶（SodM），抑制其活性。添加N-乙酰半胱氨酸（NAC）可部分逆转Bi诱导的活性氧（ROS）积累，使生物膜形成能力恢复45%。RT-qPCR证实生物膜调控基因（atl、psmα等）表达量下降2-5倍。

体内疗效评估

在大鼠骨髓炎模型中，Ti-20Bi组术后6周的X线显示骨破坏程度较纯钛组减轻70%。组织学分析显示，Giemsa染色阳性菌落数减少90%，炎症因子IL-6表达下调。取出的植入体表面CLSM显示，活菌覆盖率从纯钛的82%降至Ti-20Bi的15%。值得注意的是，微CT显示Ti-Bi合金不影响新骨形成，骨体积分数（BV/TV）与对照组无统计学差异。

临床转化前景

该研究首次将Bi的抗菌特性与钛合金的机械性能相结合，其抗生物膜效果优于传统银（Ag）、铜（Cu）等抗菌金属。特别值得注意的是，即使在含20%Bi的情况下，材料仍保持良好生物相容性，体外细胞实验显示对成骨细胞分化无抑制作用。这种通过代谢干预（硫代谢破坏）而非直接杀菌的作用机制，为应对抗生素耐药性提供了新思路。未来可通过优化Bi分布形态或开发Ti-Bi-X三元合金进一步提升性能。