经热处理处理的程序化NiTi-5Cu（AH）生物活性正畸合金可在糖尿病口腔微环境中释放铜，从而起到抗生物膜形成及保护牙周组织的作用

《Biomaterials》：Heat-Treatment–Programmed NiTi–5Cu (AH) Bioactive Orthodontic Alloy Enables Cu Release for Antibiofilm and Periodontal Protection in Diabetic Oral Microenvironment

　　摘要：糖尿病相关的高血糖会改变口腔微环境，加剧生物膜引发的炎症，进而影响正畸治疗的安全性与有效性。本研究开发了一种经过热处理设计的生物活性正畸合金——NiTi–5Cu（AH），该合金兼具结构功能与对微环境响应的生物活性。通过对NiTi–5Cu进行溶液淬火-老化处理，可使其表面铜元素浓度升高，电化学活性更加均匀，从而实现持续释放铜元素。这种合金在保持功能可恢复性的同时，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和变形链球菌具有强大的抗菌及抗生物膜作用。此外，NiTi–5Cu（AH）对人体口腔上皮细胞、血管内皮细胞及巨噬细胞均无细胞毒性，还能诱导M2型巨噬细胞极化，在健康及糖尿病兔模型中表现出良好的血液相容性，且在斑马鱼实验中未引发明显的发育或炎症毒性。在2型糖尿病牙周炎大鼠模型中，将该合金置于口腔内可减轻牙槽骨流失、炎症浸润以及破骨细胞活化现象。16S rRNA测序显示，治疗后口腔拭子中的微生物群组成发生改变，而转录组及代谢组分析则揭示了炎症及代谢途径的相关变化。总体而言，这项研究构建了一个生物活性平台，通过热处理调控的铜元素释放实现同步抗生物膜作用与牙周保护，为糖尿病患者的口腔护理提供了极具前景的金属生物材料解决方案。

引言：随着生活水平提高，寻求高质量正畸治疗的人群不断增加，错颌畸形在普通人群中的患病率仍很高（约为43.5%–67.2%），这意味着有大量患者需要接受正畸治疗[1]。这一趋势不仅源于美观需求，还因为人们越来越了解正畸治疗的疗效及其潜在副作用，尤其是对于糖尿病患者而言[2]。糖尿病患者的代谢紊乱以及慢性高血糖状况会导致口腔疾病风险增加，且治疗反应难以预测[3]–[5]。糖尿病与口腔疾病密切相关[3]。糖尿病中的高血糖会维持促炎环境，延缓口腔/牙周组织的修复进程，还会干扰骨重塑；反之，慢性牙周炎则会成为全身性炎症负担，进一步干扰代谢平衡[6]–[8]。流行病学研究一致表明，糖尿病患者患牙周炎的概率更高，病情也更严重，这表明血糖控制不佳可能与慢性口腔炎症存在协同作用[9]–[10]。常见的口腔疾病包括牙周病、龋齿和口腔溃疡[11]，这些疾病的发病与血糖水平上升、唾液分泌增加以及口腔微生物群失衡有关[12]–[13]。此外，糖尿病导致的高血糖状态还会损害黏膜屏障功能，降低局部抗感染能力，使口腔黏膜更容易出现持续性炎症、感染及伤口愈合延迟等问题[14]–[16]，同时还会导致免疫系统功能下降以及微血管疾病风险增加，进而阻碍口腔内的血液流动[15]。这些并发症使得糖尿病患者更容易患上口腔疾病，也给口腔内材料的长期使用带来了挑战。对于糖尿病患者这类高风险群体，正畸治疗需要温和且持续的机械力作用，而具有超弹性和高可恢复变形能力的镍钛合金等金属材料，为提升正畸装置的灵活性和轻力输出提供了物质基础和解决方案[17]。例如，各类正畸材料，包括金属[18]、陶瓷[19]和聚合物[20]，都可以通过改性来提升其在不同微环境中的适应性，进而增强其抗菌和抗炎性能[21]。此外，金属托槽也因耐用、强度高、耐磨且治疗效果稳定而越来越受到青睐[22]。值得一提的是，钛合金具有重量轻、耐腐蚀性强以及生物相容性优异的特点[23]，因此可用于制作牙冠、牙套及其他口腔植入物（如牙齿和颌骨）。镍钛合金弓丝凭借其超弹性和形状记忆特性，在矫正初期就能在较大变形范围内施加均匀的轻力，因此在临床应用中十分合适[24]。此外，它们还具有较高的弹性，能降低弓丝断裂、患者不适以及正畸治疗并发症的风险。然而，镍钛合金的抗菌性能较差[25]，这使得它们不太适合用于糖尿病患者的口腔环境，也就难以进一步提升其在该人群中的应用价值。近期研究已证实铜具有抗菌性能[26]–[28]，铜是一种天然存在的元素，人体内含量极少，通常被认为可用于医疗器械及其他领域且安全性较高[30]–[32]。铜能够抑制细菌、真菌和病毒等多种微生物的细胞活动，因此有望用于提升正畸材料的抗菌性能[33]。除了抗菌作用外，铜还因其抗菌活性和潜在的生物功能性而在生物医学领域展现出应用前景。在适当浓度范围内，铜可作为有效成分，帮助减少微生物定植和感染风险[34]。自本世纪初以来，中国科学院金属研究所已研发出多种含铜的抗菌不锈钢产品，这些产品具有铁素体、奥氏体和马氏体三种微观结构[30]–[37]。虽然传统的加工方法会限制铜的释放，但热处理可以改变金属的物理性质，从而提升其功能表现。金属材料的热处理过程包括将固体材料加热到特定温度并保持一段时间，然后再将其冷却[38]，其目的是提升材料的物理和机械性能。在本研究中，我们开发了一种经过热处理的合金，命名为NiTi-5Cu（AH），并验证了热处理能够形成一种有利于在糖尿病口腔环境中持续释放铜的可编程表面电化学状态这一假设（图1）。我们系统地分析了该合金的表面成分、相组成、机械可恢复性、电化学行为以及离子释放特征。此外，还在2型糖尿病牙周炎大鼠模型中评估了它的细胞相容性、血液相容性、抗菌及抗生物膜活性以及体内应用效果。研究结果表明，AH处理后的NiTi-5Cu成为一种生物活性合金平台，能够在高糖水平的口腔微环境中同时发挥抗菌作用和牙周保护作用。

片段摘录：AH处理改变了NiTi-5Cu的表面成分及相结构。我们通过扫描电子显微镜结合能量色散光谱仪（SEM/EDS）以及透射电子显微镜衍射分析，研究了三种合金的表面微观结构及表面附近的元素分布情况（图1A–C；表1）[39]。与名义添加量相比，未经处理的NiTi-5Cu表面附近的铜信号较弱，而经过AH处理后，表面铜元素浓度显著升高。

讨论：在口腔环境下，正畸材料必须具备极高的耐受力，以承受咀嚼和吞咽过程中的机械力[46]。尤其是镍钛合金这类形状记忆合金，凭借出色的形状记忆功能和超弹性，已成为极具潜力的正畸材料[47]–[49]。此外，由于铜具有抗菌特性[50]，再加上上述优点，这类材料在应对复杂的机械应力时表现出极强的适应性。

结论：总之，我们开发了一种经过热处理设计的NiTi–5Cu生物活性正畸合金，它可以通过释放铜元素来适应高糖水平的口腔微环境。通过实现表面铜元素富集与更均匀的电化学活性相结合，这种合金具备了强大的抗生物膜能力，同时还能保障HOECs、HUVECs和RAW264.7细胞的相容性，进而减轻糖尿病条件下的牙周炎症和牙槽骨流失。除了传统的机械功能之外，该合金还……

CRediT作者贡献声明：金立波：资源提供；马佳辉：研究设计、数据整理；雷鹏宇：验证、研究设计、数据整理；张书远：可视化、验证、研究设计；孙达：文章撰写与修改、项目管理、方法学设计、资金获取、概念构思；任凌：资源提供、资金获取、概念构思；陈金平：文章撰写与修改、资源提供、方法学设计；赵传荣：形式分析；王毅：监督指导；杨琴思：可视化。

数据与材料可用性：本研究中的所有原始数据均包含在论文中，如有进一步疑问，可联系相应作者。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

伦理审批与参与同意：本研究已获得温州大学动物伦理委员会批准（编号WZU-2023-084和WZU-2023-075），以及温州学院动物伦理委员会批准（编号WIUCAS25060901）。所有实验均按照美国兽医协会制定的动物安乐死指南（2013年版）进行，该指南也符合国际动物福利标准。

出版同意声明：作者对研究的各个环节负责，确保及时调查并解决与研究内容准确性或完整性相关的问题。

资金支持：本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFC2418600）、国家自然科学基金（51901160、52571274）、浙江省自然科学基金（LQ19E010004）以及温州大学生命与环境科学学院科学研究培育项目（SHPY2025010）的支持。

利益冲突声明：? 作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢：作者感谢Home for Researchers编辑团队（www.home‐for‐researchers.com）对本文的润色工作。

作者名单：王雷|方一蒙|张书远|雷鹏宇|马佳辉|金立波|王文涛|杨琴思|王毅|赵传荣|杨科|尹海燕|陈荣兵|王桂雪|陈金平|任凌|孙达

单位：中国浙江省温州325035，温州大学生命科学及生物医学协同创新中心