在口腔环境中，由变异链球菌（Streptococcus mutans）驱动的钛（Ti）和Ti-5Cu合金的长期腐蚀演变

《Bioelectrochemistry》：Long-term corrosion evolution of titanium and Ti 5Cu alloy in the oral environment driven by Streptococcus mutans

　　• 在模拟口腔环境中对纯钛（Ti）和Ti5Cu合金进行了90天的连续微生物腐蚀（MIC）测试。• 致龋菌S. mutans在长期暴露下会促进两种钛合金的腐蚀。• 成熟的生物膜会加速钝化膜的退化和局部点蚀。• Ti5Cu通过抑制生物膜的形成，相对于纯钛更能减缓MIC。

引言
口腔疾病是全球范围内最普遍的非传染性疾病之一，全球平均患病率约为45%，给近35亿人带来了严重的健康负担[1]。由于其优异的性能，金属材料被广泛用于口腔临床治疗，特别是在牙科植入物、修复体和正畸器具方面[2][3]。然而，口腔是一个高度复杂且具有腐蚀性的生理环境，其中含有丰富的水分、电解质、蛋白质和酶，这些因素都会直接影响牙科金属植入物的界面稳定性和长期使用性能[2][4]。此外，口腔内还栖息着超过700种微生物，包括细菌、真菌和古菌，这些微生物在植入后会持续对牙科植入物造成挑战[5][6][7]。微生物在生物医学金属表面的定植会促进生物膜的形成，并可能引发微生物引起的腐蚀（MIC）[2][8][9]。由此产生的腐蚀离子释放以及微生物表面的定植可能会进一步引发炎症反应，干扰治疗程序并影响治疗效果[10][11][12][13]。因此，系统地阐明口腔微生物如何诱导牙科金属材料的腐蚀及其机制对于临床决策和下一代牙科生物材料的开发至关重要。

大量研究表明，口腔微生物是导致口腔生物材料腐蚀的重要因素[14][15][16][17]。其中，s齿链球菌（Streptococcus mutans）作为一种典型的致龋病原体，因其强烈的产酸能力和EPS介导的生物膜形成而被广泛用作研究模型微生物[3][18][19]。s齿链球菌生物膜产生的酸性代谢物和异质性微环境会破坏保护性氧化层，加速腐蚀过程，这一点已在不锈钢和钛合金中得到验证[18][20]。我们之前的研究也表明，s齿链球菌和模拟的缝隙结构通过促进局部酸化、氧浓度梯度的形成以及钝化膜的退化，共同加速了316L不锈钢的腐蚀[9]。生物膜代谢与缝隙几何结构的共同作用显著增加了腐蚀电流密度，并通过降解Cr和Fe基保护性氧化物促进了点蚀的发展。然而，仍需进行系统性的研究以明确口腔微生物对生物医学材料长期腐蚀的影响。

钛及其合金由于其优异的机械性能、高电化学稳定性和良好的生物相容性，成为牙科植入物和修复体的主要金属材料[21][22][23]。然而，商业纯钛容易发生细菌附着和生物膜生长，这些生物事件不仅会导致种植体周围炎和软组织感染，还会加速材料腐蚀[24][25]。为了解决这些问题，人们开发了TiCu合金作为合金化策略，相比表面涂层和离子植入具有明显的优势[26]。这种合金同时具有内在的抗菌活性、增强的MIC抗性和良好的生物相容性。铜的添加还有效改善了多种功能特性[27][28]。例如，Ti5Cu合金通常含有稳定的Ti2Cu金属间相，能够在生理环境中持续安全地释放低浓度的Cu2+，释放的Cu2+会破坏细菌细胞膜并抑制细菌的代谢和增殖。在这些合金中，Ti5Cu表现出强烈的广谱抗菌活性，并显著减少了生物膜的覆盖率和厚度[29][30][31]，并且其MIC抗性也优于纯钛[32]，这表明它可能是纯钛在口腔及其他生物医学应用中的有希望的替代品。因此，对比研究纯钛和Ti5Cu合金在长期连续暴露于口腔微生物下的MIC行为对于评估其实际应用价值至关重要。

近年来，人们对基于钛的材料的MIC现象给予了越来越多的关注。最近的研究表明，微生物群落可以通过生物膜相关的界面过程改变钛植入物的电化学稳定性[19][33]。微生物生物膜可能通过局部环境变化和电子转移过程影响钝化膜的稳定性[34]。然而，大多数现有研究仅限于短期暴露条件，难以捕捉到在长期微生物挑战下生物膜成熟、代谢物积累、胞外聚合物物质和钝化膜退化的耦合演变过程[30][33][35]。含铜的钛合金在短期测试中显示出良好的抗菌和MIC抗性[30][36]，但它们在口腔微生物环境中的长期耐腐蚀性能仍需进一步系统评估。

为了阐明口腔微生物对医学生物钛材料腐蚀作用的长期影响，本研究使用自设计的生物反应器系统进行了为期90天的连续暴露实验。通过多维度表征方法（包括生物膜分析、电化学测量、表面形貌观察和腐蚀产物分析），比较了商业纯钛和Ti5Cu合金在s齿链球菌生物膜作用下的腐蚀退化行为。还对两种材料在浸渍90天后形成的钝化膜进行了系统研究。通过全面分析，本研究揭示了纯钛和Ti5Cu合金在口腔微生物条件下的长期腐蚀失效行为和机制，为基于钛的口腔生物材料的安 全长期应用提供了理论和实践支持，并为开发先进的抗菌和耐腐蚀材料奠定了基础。

**材料**
本研究选用的材料是商业纯钛和Ti5Cu合金。它们的化学成分（重量百分比）严格控制如下：商业纯钛（Ti≥99.6、Fe≤0.2、O≤0.15、C≤0.08、N≤0.05）和Ti5Cu合金（Cu 4.8–5.2、Fe≤0.2、O≤0.15、C≤0.08、N≤0.05，其余为Ti）。根据实验要求，这些材料被加工成两种几何形状：尺寸为10 mm × 10 mm × 5 mm的正方形基底，用于长期浸渍。

**90天培养期间的生物膜演变**
s齿链球菌在材料表面的定植及其随后形成的生物膜是MIC发生的前提条件。生物膜形态和结构的时间演变通过SEM和CLSM进行了观察，结果如图1所示。SEM观察显示，在3天的培养后，s齿链球菌在商业纯钛和Ti5Cu合金表面都开始了早期定植，但聚集行为存在明显差异。

**讨论**
富电解质且微生物定植复杂的口腔环境会显著加速牙科金属材料在长期使用过程中的降解和失效[2][4]。这一过程可能导致局部腐蚀、金属离子释放和种植体周围炎，甚至导致植入物过早失效，从而威胁到植入物的临床安全性和使用寿命[43][44][45]。尽管在理解牙科金属材料的MIC方面已经取得了一些进展，但短期实验室评估仍不足以揭示临床相关条件下的长期腐蚀退化过程。

**结论**
口腔提供了湿润且富含电解质的环境，有利于微生物定植，并容易引发牙科材料的MIC。然而，短期的实验室评估不足以反映长期临床使用条件下的腐蚀退化情况。本研究建立了一个90天连续浸渍模型，以比较商业纯钛和Ti5Cu合金在致龋菌s齿链球菌作用下的MIC行为。s齿链球菌在其表面上形成了密集的生物膜。

**生成式AI声明**
作者声明在撰写本文过程中未使用任何生成式AI工具。

**作者贡献声明**
Yahan Li：撰写——初稿、可视化、方法学设计、数据管理。
Haonan Ge：数据管理、实验设计。
Xiaodong Zhang：数据管理、实验设计。
Shuxuan Qu：数据管理。
Erlin Zhang：资源支持。
Zhong Li：审稿与编辑、项目监督、资金争取、数据分析、概念化。
Fuhui Wang：项目管理。
Dake Xu：项目管理、资金争取。

**伦理声明**
作者声明本研究不涉及人类或动物实验。

**利益冲突声明**
作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。

**致谢**
本工作得到了国家自然科学基金（编号52371056，资助者Z. L.）、辽宁省青年科学基金项目（B类，编号2025JH6/101000010，资助者Z. L.）以及中央高校基本科研业务费（N25QNR001，资助者Z. L.）的财政支持。