NIR响应型氢化TiO2纳米蜂窝表面结构：快速清除金黄色葡萄球菌生物膜并协同增强骨整合

本研究针对植入术后感染和骨整合不佳的临床难题，开发了一种基于氢化TiO2纳米蜂窝表面（H-NCs）的新型植入体改性策略。通过氢化处理引入氧空位，将TiO2带隙缩小至1.32 eV，实现在近红外（NIR）光照下高效产生活性氧（ROS）和温和热效应，15分钟内清除99.94%的S. aureus生物膜；同时保留的90 nm蜂窝结构通过拓扑线索调控巨噬细胞极化，建立促骨整合的免疫微环境。该研究为植入体感染防治和骨再生提供了无需外源添加剂的表面功能化新范式。

　　

随着全球人口老龄化和创伤事件增加，骨科植入手术需求显著上升，仅美国每年就进行超过280万例关节置换手术。然而，植入体相关感染仍是术后严重威胁，尤其在复杂开放性骨折和翻修手术中感染率可超过30%。传统抗生素疗法存在局限性：高剂量系统性暴露导致毒副作用，且无法有效清除已形成的生物膜。更严峻的是，多重耐药菌的进化使抗生素疗效日益受限。术后细菌感染常伴随慢性炎症和骨整合延迟，最终导致植入失败。现有表面改性策略（如载抗生素涂层、金属离子或抗菌肽）存在载药量有限、释放不可控、涂层失效后复发感染等问题。因此，开发非侵入性、能同时消除生物膜并调控骨免疫微环境的植入体表面成为迫切需求。

针对这一挑战，香港大学杨伟国教授团队在《Cell Biomaterials》发表研究，通过氢化处理钛表面固有的TiO₂层，构建了具有纳米蜂窝结构的氢化TiO₂表面（H-NCs），实现了近红外光触发的抗菌效应和拓扑结构介导的骨免疫调控双重功能。

研究主要采用以下技术方法：通过聚苯乙烯球模板法和高温氢化等离子体处理构建H-NCs表面；利用XPS、EPR、UV-vis-NIR DRS等表征材料理化性质；通过DCFH-DA检测、ESR光谱、光电流和电化学阻抗分析光动力性能；采用体外细菌培养模型和大鼠胫骨植入感染模型评价抗菌效果；通过转录组测序（RNA-seq）、免疫荧光染色和ELISA分析巨噬细胞极化及细胞因子分泌；采用micro-CT和组织染色评价骨整合效果。

表面表征与光响应性能

研究人员首先通过模板法和氢化等离子体处理成功制备H-NCs表面。XPS和EPR分析证实氢化处理后产生大量氧空位，而Ti³⁺含量极低。UV-vis-NIR DRS显示H-NCs吸收范围扩展至近红外区域，带隙从3.22 eV降至1.32 eV，低于808 nm近红外光子的能量水平（1.53 eV）。光电流和电化学阻抗测试表明H-NCs具有 enhanced charge separation ability（增强的电荷分离能力）。ESR光谱证实H-NCs在近红外照射下主要产生·OH自由基。同时，H-NCs表现出优异的光热效应，15分钟内温度升至55.4°C，且具有良好稳定性。

体外抗菌性能

抗菌实验表明，H-NCs在近红外照射15分钟内对S. aureus的清除率达99.94%，显著高于对照组。Live/dead染色、SEM形态观察、蛋白泄漏和膜通透性试验一致证实H-NCs通过光热效应破坏细菌膜结构，使ROS渗入内部导致细菌死亡。

巨噬细胞调控机制

研究发现H-NCs保留的90 nm蜂窝结构通过拓扑线索调控巨噬细胞行为。SEM显示细胞在H-NCs表面产生丰富丝状伪足。免疫荧光和qPCR证实H-NCs下调M1表型标志物（iNOS、TNF-α、IL-1β），上调M2标志物（CD206、IL-10、ARG-1）。ELISA检测发现48小时后BMP-2分泌显著增加。转录组分析揭示H-NCs通过下调NF-κB、MAPK等促炎通路，上调PPAR等M2相关通路，其中细胞粘附分子（CAMs）和RhoA/ROCK通路在 mechanotransduction（机械转导）中起关键作用。

体内抗感染与骨整合

在大鼠胫骨植入模型中，H-NCs组在近红外照射后体内抗菌率达91.58%。组织学分析显示H-NCs组分泌物和脓液减少，Giemsa染色细菌量显著降低。免疫组化显示H-NCs组CD68⁺巨噬细胞浸润，但TNF-α⁺细胞减少，IL-10⁺细胞增加，表明炎症反应减轻。Micro-CT重建和定量显示H-NCs组新生骨量（BV/TV）在14天和28天分别达11.42%和18.63%，显著高于对照组（4.58%和7.3%）。Van Gieson染色可见H-NCs组界面处大量骨组织形成，证实骨整合增强。

该研究通过巧妙的材料设计，将临床钛植入体表面的固有TiO₂层转化为具有氧空位的氢化纳米蜂窝结构，实现了近红外光触发的按需抗菌功能。H-NCs在15分钟内通过·OH自由基和温和热效应协同作用，有效清除S. aureus生物膜；同时保留的拓扑结构通过调控巨噬细胞极化建立促再生微环境，促进BMP-2等成骨因子分泌。这种无需外源添加剂的表面改性策略解决了植入体感染防治和骨整合协同实现的难题，为临床植入体表面功能化提供了新思路。尽管近红外光在深部组织穿透性方面存在局限，但通过调整光功率密度或采用脉冲光照等策略可优化应用效果。该研究为开发新一代智能植入体表面奠定了坚实基础。