近红外响应氢化二氧化钛纳米蜂巢表面图案实现金黄色葡萄球菌生物膜快速清除并增强成骨作用

本研究针对骨科植入物相关感染和骨整合不佳的临床难题，开发了一种基于氢化二氧化钛纳米蜂巢表面图案（H-NCs）的创新策略。通过缺陷工程引入氧空位，使材料在近红外光照下产生活性氧（ROS）和温和热效应，15分钟内快速清除99.94%的金黄色葡萄球菌生物膜；同时其90纳米蜂巢拓扑结构通过调控巨噬细胞极化（M2表型转化）建立促骨愈合免疫微环境。该无外源剂的表面改性技术同步实现了感染控制和骨整合增强，为植入物表面功能化提供了临床转化新方案。

　　

随着全球老龄化加剧和创伤事件增加，骨科手术需求持续攀升。仅在美国，每年就进行超过280万例关节置换手术，且年增长率超过10%。尽管采用严格无菌操作和预防性抗生素干预，植入物相关感染仍是严重威胁——在复杂开放性骨折和翻修手术中，感染率可能超过30%。传统抗生素疗法存在局限性：高剂量全身用药可能产生严重副作用，且停药后再感染风险持续存在（术后5年内再感染率超过10%）。更棘手的是，一旦病原菌在植入物表面形成生物膜，免疫系统和抗生素都难以彻底清除，往往需要联合侵入性手术（如一期或二期翻修）和长期抗生素治疗，导致恢复时间长、医疗成本高，甚至患者终身功能障碍。

当前解决方案面临三重挑战：一是载药涂层携带抗菌剂容量有限；二是复杂生理环境中释放行为难以精确控制；三是涂层随剂型释放或降解必然失效。光动力疗法（PDT）等外源刺激响应策略虽具有高效抗菌特性，但通常需要添加光敏剂等额外组分，面临稳定性问题和漫长的临床转化审批流程。

在这项发表于《Cell Biomaterials》的研究中，研究团队另辟蹊径，利用钛植入物表面天然形成的二氧化钛（TiO₂）钝化层，通过创新性表面工程设计，开发出一种兼具近红外响应抗菌特性和免疫调节功能的智能植入体表面。研究人员采用聚苯乙烯球为牺牲模板构建纳米蜂巢表面图案（NCs），随后通过氢等离子体处理引入氧空位，成功制备出氢化TiO₂纳米蜂巢（H-NCs）。该技术关键点包括：表面拓扑结构精确调控（90纳米蜂巢图案）、氢化处理引入氧空位缺陷工程、近红外光照激活机制（808纳米激光）、活性氧检测体系（DCFH-DA/ESR）、体外细菌培养与抗菌效能评估（金黄色葡萄球菌ATCC 29213）、巨噬细胞免疫响应分析（RAW 264.7细胞系）、以及大鼠胫骨植入模型（Sprague-Dawley大鼠）的体内评价。

合成与表征H-NCs

研究人员首先使用聚苯乙烯球为牺牲模板在钛表面构建NCs，随后通过氢等离子体处理引入氧空位形成H-NCs。颜色从NCs的蓝色变为H-NCs的黑色，而独特的蜂巢状表面结构在氢化过程后保持完整。高分辨透射电镜显示H-NCs中存在晶格弯曲，表明存在晶格缺陷。X射线衍射证实NCs和H-NCs均为锐钛矿型TiO₂。X射线光电子能谱显示H-NCs中Ti 2p峰向低结合能移动，表明电子密度更高，O 1s谱显示缺陷氧比例达32.65%。电子顺磁共振证实H-NCs存在氧空位信号（g=2.003），而无Ti³⁺信号，表明氢化成功引入了氧空位。

光催化和光热性能

在近红外照射下，H-NCs产生显著活性氧（ROS），而NCs仅产生可忽略量。H-NCs表现出更强的光电流密度和更低的辐射复合率，电化学阻抗谱显示其具有最低阻抗。紫外-可见-近红外漫反射光谱显示H-NCs在200-1200纳米范围内吸光度显著增强，Tauc图计算显示其带隙缩小至1.32电子伏特（eV），低于808纳米近红外光子能量（1.53 eV）。电子自旋共振谱证实·OH是主要产生的ROS。价带XPS测量显示H-NCs的价带最大值蓝移，导致能带结构改变。此外，H-NCs在15分钟近红外照射下温度升至55.4°C，表现出优异的光热稳定性。

体外抗菌性能

铺板法显示H-NCs在近红外照射15分钟后对金黄色葡萄球菌的抗菌率达到99.94%。活/死荧光染色证实H-NCs-NIR(+)组细菌死亡率最高。扫描电镜显示H-NCs-NIR(+)上的细菌出现膜完整性丧失和皱缩形态。BCA检测显示H-NCs-NIR(+)组蛋白泄漏最显著，ONPG水解实验表明细胞膜通透性增加。抗菌机制涉及光热效应破坏细菌细胞膜结构，增加膜通透性，使ROS能够渗透并损伤细菌酶和蛋白质。

对巨噬细胞的体外调节

扫描电镜显示NCs和H-NCs上巨噬细胞均有丰富丝状伪足。免疫荧光显示NCs和H-NCs均下调iNOS（M1标志物）和上调CD206（M2标志物）。实时定量PCR和ELISA表明，培养48小时后，NCs和H-NCs抑制TNF-α和IL-1β分泌，同时上调IL-10、ARG-1和BMP-2。转录组分析显示H-NCs与Ti相比有619个基因上调和1100个基因下调。KEGG富集分析表明M1巨噬细胞激活相关信号通路（IL-17、TNF、MAPK、Toll样受体、NOD样受体和NF-κB通路）下调，而PPAR信号通路上调。细胞粘附分子（CAMs）作为机械转导的关键介质发挥作用，L1CAM与RhoA/ROCK通路相关。

体内抗菌活性

在大鼠胫骨植入模型中，H-NCs-NIR(+)组显示出91.58%的抗菌率。术后14天和28天的照片显示Ti-NIR(+)组有明显分泌物和脓液，而H-NCs-NIR(+)组无感染迹象。吉姆萨染色显示Ti-NIR(+)组有大量细菌，而H-NCs-NIR(+)组几乎检测不到细菌。免疫组化显示H-NCs能够减轻炎症反应，减少TNF-α阳性巨噬细胞，增加IL-10比例。

体内骨整合评价

微CT显示H-NCs-NIR(+)组在植入14天和28天后界面处新骨组织量显著更多。骨体积/组织体积（BV/TV）比值在14天时分别为4.58%（Ti-NIR(+)）和11.42%（H-NCs-NIR(+)），28天时分别为7.3%和18.63%。沙红O/固绿染色显示H-NCs-NIR(+)界面处成骨分化比例更高。Van Gieson苦味酸品红染色显示H-NCs-NIR(+)表面有明显骨组织形成，而Ti-NIR(+)组几乎无骨样组织。

本研究成功开发了一种氢化TiO₂表面图案，通过近红外诱导的ROS和热效应实现高效细菌清除，并通过表面拓扑结构诱导的骨免疫调节增强成骨作用。氧空位的引入增强了近红外光吸收并提高了电子-空穴分离效率，使材料在短时间近红外照射下表现出优异的抗菌性能。这种无额外组分的原位治疗方法同时确保了骨免疫调节和抗菌能力。尽管近红外光在深部关节（如髋关节）的穿透深度有限，但通过调节光功率密度（如脉冲光刺激）可能克服这一限制。这项创新策略为同时解决植入后感染和促进骨整合的挑战提供了有效方案，具有显著的临床转化潜力，最终有望改善临床结局。