《Materials Today Bio》：Robust Optical Metasurface Heterostructures for Prevention and Treatment of Peri-implantitis
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种植体周围炎（peri-implantitis）是口腔种植领域的重要并发症，而种植基台本征抗菌性能及其与周围软组织的紧密封闭在防治过程中起关键作用。研究人员在钛表面通过等离子体浸没离子注入（plasma immersion ion implantation，P
种植体周围炎（peri-implantitis）是口腔种植领域的重要并发症，而种植基台本征抗菌性能及其与周围软组织的紧密封闭在防治过程中起关键作用。研究人员在钛表面通过等离子体浸没离子注入（plasma immersion ion implantation，PIII）与热处理技术，构建了具有梯度分布纳米空腔的稳健光学超表面CeOx/TiO2异质结构。该CeOx/TiO2异质结构经能带优化后增强了对第二近红外区（second near-infrared，NIR-II）的光吸收；具有梯度纳米空腔的稳健光学超表面通过光捕获效应提升近红外光滞留并增强保温能力，从而在体内外均表现出优越的光热抗菌活性。此外，氧化铈的存在使该超表面具备抗氧化特性，可通过依次激活“神经活性配体-受体互作、Rap1信号通路及细胞外基质-受体互作（ECM-receptor interaction）”级联网络，缓解局部炎症微环境，促进软组织封闭。该研究为基于光学超表面异质结构开发兼具抗菌与软组织封闭功能的新型牙科种植基台提供了新路径。
研究背景与问题提出
种植体周围炎表现为龈组织附着丧失、牙槽骨吸收乃至种植体松动失败。临床现有非手术与手术治疗均存在局限：非手术疗法易复发、抗生素滥用会破坏微生态并诱导耐药；手术治疗在美学区受限且预后不确定。钛种植基台作为穿龈部件，本应依靠与软组织封闭形成防御屏障，但钛表面生物惰性导致软组织结合差，细菌可经微间隙入侵。传统TiO2光热材料因宽禁带仅响应紫外光，生物安全性与穿透性不足；单纯抗菌涂层又常损害细胞相容性。因此，亟需开发可智能响应、兼顾抗菌-抗炎-软组织封闭的多功能基台表面。
研究人员通过开展本研究，在钛表面构建无序光学超表面CeOx/TiO2异质结构，实现“预防-治疗-再生”三模块协同，证实其可近红外光控杀菌、清除活性氧（reactive oxygen species，ROS）、促进龈成纤维细胞行为与屏障重建，在比格犬种植体周围炎模型中显著降低探诊深度与炎症因子，改善软硬组织整合。该工作发表于《Materials Today Bio》，意义在于将超表面光子调控与异质结能带工程引入口腔种植材料，为下一代智能基台提供理论依据。
主要关键技术方法
研究人员采用等离子体浸没离子注入与高温热处理在钛表面制备CeOx/TiO2梯度纳米空腔超表面；结合扫描透射电子显微与X射线光电子能谱表征结构化学态；通过紫外-可见-近红外吸收、光热成像与密度泛函理论（density functional theory，DFT）计算解析能带与电荷转移；以人牙龈成纤维细胞（human gingival fibroblasts，HGFs）评估黏附迁移与ROS清除；用金黄色葡萄球菌、大肠杆菌及牙龈卟啉单胞菌验证光热抗菌；体内以丝线结扎建立比格犬种植体周围炎模型并施以近红外干预，辅以Micro-CT与组织学评价。
研究结果
2.1 样品表征
通过形貌、X射线衍射、XPS与截面成像揭示：Ce注入与热处理后形成金红石TiO2与CeOx共存层，Ce元素深渗超过3500 nm；界面出现10–30 nm梯度分布纳米空腔。该超表面提升亲水性、硬度与耐蚀性，并通过Ce3+/Ce4+ redox对清除H2O2所产ROS，纳米空腔产生光陷阱与热陷阱效应。
2.2 光热性能
吸收光谱与红外热像显示：CeOx/TiO2在第二近红外区吸收显著增强；1064 nm照射下表面温升高于纯钛与单一TiO2，循环稳定；在去离子水与小鼠皮下模型中均表现高效光热转换。
2.3 能带结构与电荷转移机制
Tauc plot与UPS结合DFT计算表明：异质结使禁带由3.16 eV降至2.84 eV，Ce的4f态引入中间带；界面内建电场加速电子定向迁移，缺陷态辅助近红外激发，弛豫放热，纳米空腔进一步保温。
2.4 体外光热抗菌效应
平板计数与活死染色显示：近红外下对金黄色葡萄球菌抑菌率99.96%、大肠杆菌100%；扫描电镜见膜结构破坏与蛋白泄漏；对牙龈卟啉单胞菌及成熟生物膜亦具光热清除能力。
2.5 体外软组织封闭性能
细胞实验表明：材料生物相容性良好，促进HGFs黏附、铺展与迁移；CeOx通过类超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）与过氧化氢酶（catalase，CAT）活性清除ROS，保护细胞免受氧化、光热损伤；上调纤连蛋白（fibronectin，FN）、Ⅰ型胶原（collagen Ⅰ，COL Ⅰ）及整合素β1基因与蛋白表达，利于细胞外基质（extracellular matrix，ECM）屏障构建。
2.6 体内种植体周围炎治疗与软组织封闭
比格犬模型显示：每周近红外（约50℃、5 min）治疗4周后，CeOx/TiO2组探诊深度下降、菌斑减少；龈沟液TNF-α、IL-6降低；M2型巨噬细胞标记CD206升高、iNOS下降；BP180、血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、COL Ⅰ表达增强；Micro-CT示骨体积分数、骨-种植体接触率（bone-implant contact，BIC）等改善，证实抗炎、密封与骨重塑协同。
2.7 转录组机制探索
转录组测序发现HGFs中差异基因富集于神经活性配体-受体互作、Rap1与ECM-受体互作通路，解释材料调控细胞行为与时序性组织修复的网络基础。
讨论与结论翻译
讨论指出，该策略突破传统TiO2紫外依赖与单一抗菌思路，以无序超表面+异质结协同解决光吸收、热滞留与氧化应激矛盾；CeOx既供光热电子中转，又作自再生抗氧化剂，避免光催化产ROS副作用。局限在于动物样本量小、缺乏菌群宏基因组定量、近红外参数需临床化优化。
研究结论：在钛表面构建的梯度纳米空腔光学超表面CeOx/TiO2异质结构，可近红外光控高效抗菌，并借由Ce价态循环清除ROS、缓解炎症，激活ECM相关级联信号促进软组织封闭与骨整合；该智能响应基台为种植体周围炎防治提供了可转化的材料范式。
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