基于贵金属异质结构修饰的含钛网片植入体：制备与生物活性研究

《Journal of Functional Biomaterials》：Ti-Containing Mesh Implants Modified by Heterostructures Based on Noble Metal: Fabrication and Study of Biological Activity

　　

摘要专业翻译 含钛网片植入体（“钛丝”TiS及镍钛合金NiTi）在肿瘤外科中具有优异的组织整合性能，但缺乏内在的抗菌活性。为解决这一问题，研究人员通过气相沉积法在网片表面制备了银纳米颗粒及Ag/M（M = Pt, Au）异质结构，其中贵金属亚层经银纳米薄膜和纳米团簇功能化。采用SEM、AFM、XPS和ICP-AES对改性植入体进行了全面表征，并通过体外生物相容性和抗菌试验进行了评价。异质结构的功能表现受两个关键现象调控：化学亚层效应和几何依赖的基底效应，二者共同决定离子释放动力学。Ag/Au界面维持Ag+的持续释放，而Ag/Pt界面驱动Ag+的快速溶出。所有异质结构在24 h内对浮游金黄色葡萄球菌（S. aureus）均表现出有效的抗菌活性。研究推测了导致Ag/M异质结构上更具耐药性的铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）数量减少的关键因素。细胞毒性由释放的离子组合决定：Ag/Pt/NiTi表现出较高的毒性，这可能与Ag+、Ni2+和Pt2+的联合释放有关，而所有Ag/Au基异质结构均表现出优异的生物相容性（细胞活力75–108%）。值得注意的是，金亚层与72 h时IL-10分泌升高相关。基于综合生物学性能，Ag/Au异质结构具有对浮游细菌的持续抗菌活性、低细胞毒性以及可能有利于长期整合的细胞因子谱，是网片植入体的有前景的候选材料。此外，h-Ag/Pt/TiS在快速抗菌作用与生物相容性之间表现出最佳平衡，因此似乎是适合进一步体内研究的候选材料。

论文解读

一、研究背景与意义

网片植入体在肿瘤外科中发挥着关键作用，可实现面部骨骼、胸腔、腹腔、盆腔器官、骨盆环及四肢长骨等不同解剖部位恶性肿瘤的根治性手术。聚丙烯（PP）网片因成本低廉、操作简便而广泛应用，但其整合性能差（收缩、侵蚀、慢性疼痛）且抗菌能力不足，未达“金标准”要求。钛涂层聚丙烯网片虽改善了生物相容性和力学性能，但生产成本高、工艺复杂且存在感染风险。近年来，由钛合金VT 1-00（“钛丝”，TiS）和钛镍化物（NiTi，镍钛诺）制成的网片植入体成为有前景的候选材料，兼具高生物相容性和力学强度。然而，有限的临床经验和短期随访并不能排除感染并发症的发生，特别是含钛网片表面隐匿性细菌生物膜引发的感染，在免疫功能低下的癌症患者中尤其难以根除。因此，对网片植入体进行表面功能化以增强其杀菌效力至关重要。银纳米颗粒和纳米团簇作为抗生素耐药背景下备受关注的替代抗菌剂，其可控释放是避免超安全剂量和毒性并发症的关键。近年来，在生物材料表面形成Ag/M电偶对已被证明能有效调控银溶出动力学并实现良好的生物学性能，但该概念此前仅用于平面物体。本研究首次将其拓展至TiS和NiTi网片植入体，考察从平面到三维几何结构转变所引入的关键变量——复杂结构可深刻改变涂层生长特性和离子溶出动力学。

二、研究设计与技术方法

研究人员采用气相沉积技术制备Ag/M异质结构：铂（Pt）亚层通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）法沉积，金（Au）亚层通过物理气相沉积（PVD）热蒸发法沉积，银纳米薄膜/纳米颗粒则分别通过MOCVD（使用[Ag(cod)(hfac)]₂前驱体）和PVD（热蒸发银粉）两种工艺沉积。通过调节前驱体装载量实现两种银负载水平：l-Ag系列（260–360 μg·g^?1）和h-Ag系列（540–710 μg·g^?1）。主要表征手段包括：扫描电子显微镜（SEM）观察表面形貌、原子力显微镜（AFM）测量表面粗糙度、X射线光电子能谱（XPS）分析化学状态、电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）定量金属含量及离子释放动力学。生物学评价包括：L-929小鼠成纤维细胞系间接细胞毒性试验（依据ISO 10993-5/12标准）、大鼠外周血单核细胞（PBMCs）细胞因子分泌试验、以及针对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）临床分离株的浮游菌抗菌活性试验。

三、研究结果

3.1 裸网片及贵金属涂层网片植入体的表征

SEM分析显示，TiS网片表面由直径80–90 μm的致密交织纤维组成，每根纤维由3–5 μm的细丝通过扁平区域连接形成椭圆形锚定区，赋予其高力学刚性；NiTi网片纤维直径略小（70–80 μm），采用单织结构，赋予结构柔韧性。AFM显示TiS表面高度异质（锚定区R_a = 60 nm，纤维区R_a = 28 nm），NiTi表面由达1500 nm的大球形团聚体组成（R_a = 70 nm）。贵金属亚层在两种网片表面均共形覆盖，TiS上Pt和Au呈离散球形颗粒（平均尺寸60 nm和40 nm），NiTi上则出现明显颗粒团聚。亚层厚度约60–130 nm。

3.2 Ag异质结构涂层网片植入体的表征

ICP-AES证实气相沉积工艺具有高重现性。贵金属亚层显著增强银沉积量（l-Ag系列增加超50 μg·g^?1）；在h-Ag高负载条件下，金亚层比铂亚层多沉积超100 μg·g^?1的银。SEM显示，异质结构中银呈混合生长特征：超薄银膜包覆预沉积的Pt/Au纳米团聚体，同时在其上发育独立纳米团簇（5–30 nm）。XPS分析表明，Ag/Pt异质结构中银为金属态（Ag 3d_5/2结合能368.1–368.2 eV）；Ag/Au异质结构中银的结合能（367.9–368.0 eV）介于金属银（368.2 eV）和Ag₂O（367.7 eV）之间，提示Ag–Au界面电子相互作用和表面纳米合金形成。h-Ag/Au/TiS样品表面同时检测到Ag⁰（368.1 eV）和Ag⁺（367.7 eV）两种状态。

3.3 含银网片植入体金属离子溶出动力学

所有构型均呈现双相溶出曲线：最初数小时快速积累，24–48 h后进入稳态平台，且均未观察到银活性相完全溶出。铂亚层诱导最快的银溶出（h-Ag/Pt/TiS在4 h内达47 μg·g^?1，48 h达98 μg·g^?1，为初始负载的18%；l-Ag/Pt/NiTi在48 h释放初始银含量的38%）。金亚层提供更平缓、持续的释放曲线（l-Ag系列48 h释放10–11%）。h-Ag/Au/TiS溶出动力学最低（48 h溶出不足初始含量的3%），与其表面银氧化物状态及银纳米膜扩散屏障相关。基底几何效应显著：NiTi网片在初始爆发阶段释放更高银浓度，TiS网片的微孔结构形成额外扩散屏障。Ni²⁺释放方面，裸NiTi网片48 h释放76 μg·g^?1；直接沉积银加速镍释放（48 h达121 μg·g^?1）；Pt和Au亚层显著降低镍溶出速率。在DMEM/F12培养基中，银释放受氯化银钝化影响而初期较低，72 h后显著增加。

3.4 细胞毒性评估

铂亚层涂层在TiS上表现出最低毒性（成纤维细胞活力>68%）；金亚层确保高细胞存活率（Ag/Au/TiS活力79–108%，部分超过100%提示代谢活性刺激）。NiTi基底上Ag/Pt/NiTi样品（活力22–65%）显著比TiS对应样品更具细胞毒性，归因于Ag⁺、Ni²⁺和Pt²⁺的联合释放。银负载增加反而提高NiTi样品存活率（l-Ag/Pt/NiTi为22.8%，h-Ag/Pt/NiTi为53.7%）。TiS基底样品仅释放Ag，其含量在考察范围内未显著影响细胞毒性。

3.5 细胞因子分泌

铂亚层样品在TiS上诱导48 h时IL-6显著升高（达391.5 pg·mL^?1）、TNF-α中等升高（82–85 pg·mL^?1），但IL-1β和IL-10产生极少，72 h后未观察到IL-10代偿性升高。金亚层涂层在72 h时诱导最高IL-10水平（l-Ag/Au/TiS为99.2 pg·mL^?1，显著超过对照2.7 pg·mL^?1），且先出现促炎细胞因子峰值（TNF-α达288 pg·mL^?1、IL-6达560 pg·mL^?1），随后下降让位于IL-10，符合体外“炎症–消退”反应模式。高细胞毒性样品（Ag/Pt/NiTi）细胞因子反应弱，可能归因于产细胞因子细胞数量减少。

3.6 抗菌性能

所有异质结构在24 h内将S. aureus数量降至检测限以下，但动力学差异显著：h-Ag/Pt/TiS最快（4 h即显著下降，8 h仅剩0.61 lgCFU/mL）；金亚层样品效果延迟但24 h同样完全杀灭。P. aeruginosa更具耐药性：l-Ag/Pt/TiS仅表现弱抑菌效果（24 h降至2.77 lgCFU/mL），l-Ag/Au/TiS完全无效（各时间点均维持在初始水平约2.95 lgCFU/mL）。h-Ag/Pt/TiS效果最显著（4 h降至检测限以下），h-Ag/Au/TiS动力学相似。NiTi基底上l-Ag/Pt/NiTi和l-Ag/Au/NiTi在8 h内降至检测限以下，h-Ag/Pt/NiTi和h-Ag/Au/NiTi延迟至24 h完全杀灭。

四、讨论与结论

讨论部分指出，贵金属亚层是银离子动员的主要化学调控因子：Ag/Pt界面因高电极电位差产生加速电化学溶出，Ag/Au界面因晶格相似形成界面纳米合金而实现更持续释放。NiTi基底上贵金属亚层诱导局部电化学相互作用导致微量贵金属溶出（铂积累量约为金的两倍），而惰性TiS基底上涂层–基底界面更稳定，未检测到贵金属释放。TiS网片的微孔结构形成滞留区，产生额外扩散屏障，因此需要更高银负载（h-变体）以克服扩散限制达到杀菌浓度。P. aeruginosa的灭活差异可能与Ag⁺/Ni²⁺/Au的联合存在有关。研究结论为：首次开发了可在TiS和NiTi网片表面均匀沉积Ag纳米颗粒和Ag/M异质结构的气相沉积工艺；Ag/Pt界面促进快速银溶出，Ag/Au界面提供持续释放；Au亚层有效抑制Ni²⁺浸出；细胞毒性由释放离子组合决定；所有异质结构24 h内有效降低S. aureus数量；基于综合生物学性能，Ag/Au异质结构是网片植入体涂层的有前景候选材料，h-Ag/Pt/TiS在快速抗菌与生物相容性间达到最佳平衡，适合进一步体内研究。