《Journal of Functional Biomaterials》：Enhanced Efficacy of Sandblasted, Large-Grit, Alkaline-Etched (SLA) Titanium Surfaces Combined with Plasma Treatment and Secretory Leukocyte Protease Inhibitor (SLPI) Coating in Promoting Osteoblast Activity and Reducing Bacterial Adhesion
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钛（titanium, Ti）种植体在老年患者中的临床成功率显著降低，并且常受到种植体相关细菌感染的影响。为此，研究人员采用喷砂大颗粒碱蚀（SLA）、氩气非热等离子体处理以及重组人分泌性白细胞蛋白酶抑制剂（rhSLPI）涂层对钛表面进行改性。本研究评估了表面特
钛（titanium, Ti）种植体在老年患者中的临床成功率显著降低，并且常受到种植体相关细菌感染的影响。为此，研究人员采用喷砂大颗粒碱蚀（SLA）、氩气非热等离子体处理以及重组人分泌性白细胞蛋白酶抑制剂（rhSLPI）涂层对钛表面进行改性。本研究评估了表面特征、人胎儿成骨细胞（hFOB 1.19）活性及抗菌功效。与Ti相比，改性表面表现出更高的粗糙度和亲水性。SBPTi-rhSLPI增强了7天蛋白保留。虽然Ti促进了更高的细胞增殖，但改性组表现出更优的细胞粘附和矿化。具体而言，SBPTi-rhSLPI显示出最高的细胞质扩展、粘附相关基因表达（Itgα1、Itgα2、Itgα5和Itgβ1）和矿化。此外，rhSLPI涂层组有效减少了金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）的粘附。总之，将SLA改性、氩等离子体处理和rhSLPI涂层相结合可提供增强效果。该联合策略显著增强成骨细胞粘附和矿化，同时具有抗菌潜力，有望成为提高种植体成功率的策略。
钛及其合金因化学稳定性、优异的强度、低免疫原性和生物相容性，被广泛应用于骨科和牙科种植体。然而，在健康患者中成功率超过90%的钛（Ti）种植体，在老年患者或存在细菌感染的 compromised 临床条件下，成功率显著降低。随着老龄化社会到来，老年患者骨密度下降、愈合能力减弱，单纯依靠钛的固有性能已不足以确保种植成功。种植体表面特性，如电荷、形貌、化学成分、结构、碳氢污染和润湿性，对种植成败至关重要。表面改性被认为是提高种植成功率最有效的方法之一，主要分为物理方法（如喷砂、激光烧蚀）、化学方法（如酸/碱蚀刻、阳极氧化）和生物涂层（如羟基磷灰石、活性蛋白）。其中，喷砂大颗粒碱蚀（SLA）技术可构建微米和亚微米级三维表面结构，提高粗糙度、亲水性和表面能，从而促进细胞粘附、增殖和骨分化，增强骨-种植体接触（bone-implant contact, BIC）和早期骨愈合。氩基非热等离子体处理可清除碳氢污染、提高表面能、改善润湿性并灭菌，并能增强成骨细胞和牙周膜成纤维样细胞的粘附、增殖和矿化。分泌性白细胞蛋白酶抑制剂（secretory leukocyte protease inhibitor, SLPI）则具有抗菌、抗凋亡、抗真菌/病毒和促进伤口愈合的作用，此前研究已表明SLPI涂层钛可增强骨细胞粘附、增殖、矿化和分化，并在体内模型中促进骨整合。然而，以往的研究多采用未改性的光滑钛表面，或需要复杂的等离子体聚合中间层进行共价偶联。物理和化学改性虽能改善初期细胞附着，但往往缺乏主动抗细菌定植的防御机制；单独的生物涂层则存在表面保留率低的问题。因此，本研究将SLA物理改性、氩气非热等离子体处理和重组人SLPI（rhSLPI）生物涂层三者结合，以克服单一方法的局限，并验证该组合是否能增强人成骨细胞活性并减少细菌粘附。
研究人员制备了五种钛表面：未改性Ti（Ti）、SLA改性钛（SBTi）、SLA+等离子体处理钛（SBPTi）、SLA+rhSLPI涂层钛（SBTi-rhSLPI）以及SLA+等离子体处理+rhSLPI涂层钛（SBPTi-rhSLPI）。表面表征包括场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）观察形貌、三维光学轮廓仪测量粗糙度、座滴法测定水接触角、酶联免疫吸附测定（ELISA）确认蛋白吸附及7天释放曲线。细胞实验使用人胎儿成骨细胞系hFOB 1.19，评估了细胞毒性（MTT法）、早期粘附（MTT法）、细胞形态（FE-SEM）、粘附相关基因表达（qRT-PCR）、增殖（BrdU掺入法）和矿化（茜素红S染色）。抗菌试验采用革兰氏阳性金黄色葡萄球菌（S. aureus）和革兰氏阴性大肠杆菌（E. coli），通过MTT法测定粘附细菌的相对代谢活性。所有实验均以Ti为对照，采用单因素或双因素方差分析（ANOVA）进行统计。
研究结果分为八个部分。表面特征方面，SLA改性后的各组（SBTi、SBPTi、SBTi-rhSLPI、SBPTi-rhSLPI）均呈现蜘蛛网样表面纹理，粗糙度显著高于Ti，而各SLA改性组间无显著差异；SBTi的水接触角显著降低，SBPTi、SBTi-rhSLPI和SBPTi-rhSLPI因接触角低于测量下限而表现为超亲水；ELISA证实rhSLPI仅存在于SBTi-rhSLPI和SBPTi-rhSLPI表面，且两组的吸附量无显著差异。rhSLPI释放曲线显示，Ti-rhSLPI在7天内累积释放率最高（49.80%），而SBTi-rhSLPI（24.36%）和SBPTi-rhSLPI（9.82%）显著降低，其中SBPTi-rhSLPI表现出最持续和受限的释放行为。细胞毒性方面，所有改性组在24小时培养后细胞活力与Ti相比无显著差异，证明SLA、等离子体和rhSLPI组合无细胞毒性。粘附试验中，所有改性组的细胞粘附量显著高于Ti，FE-SEM显示Ti上的细胞呈圆形且无细胞质延伸，SBTi上出现初始细胞质延伸，SBPTi和SBTi-rhSLPI上细胞质延伸明显但中央仍呈圆形，而SBPTi-rhSLPI上的细胞表现出广泛的细胞质延伸和扁平形态。粘附分子基因表达方面，SBPTi-rhSLPI的Itgα1和Itgβ1表达最高；SBPTi和SBPTi-rhSLPI的Itgα2表达显著高于Ti，SBPTi高于SBTi和SBTi-rhSLPI；SBTi-rhSLPI和SBPTi-rhSLPI的Itgα5表达显著升高，其中SBPTi-rhSLPI最高。增殖试验结果显示，培养3天和5天后，Ti组的细胞增殖显著高于所有改性组，提示改性表面促使细胞从增殖向分化转变。骨矿化方面，所有改性组的矿化沉积显著高于Ti，其中SBPTi-rhSLPI最高，SBPTi和SBTi-rhSLPI也显著高于SBTi。抗菌粘附方面，所有改性组（SBTi、SBPTi、SBTi-rhSLPI、SBPTi-rhSLPI）均显著减少S. aureus粘附，但各组间无差异；对于E. coli，仅rhSLPI涂层组（SBTi-rhSLPI和SBPTi-rhSLPI）显著减少粘附，而SBTi和SBPTi与Ti对照无显著差异。
讨论部分指出，SLA产生的微/纳米粗糙结构模拟细胞外基质（extracellular matrix, ECM），促进整合素受体结合并激活黏着斑激酶（focal adhesion kinase, FAK）/paxillin信号通路，导致细胞骨架重排和细胞质延伸。氩等离子体处理通过增加表面负电荷和含氧基团提高蛋白吸附能力，增强rhSLPI在微/纳米结构中的保留。rhSLPI则通过其正电荷和极性特性增强亲水性，并通过FAK通路促进成骨细胞粘附，同时其正电荷可破坏细菌细胞膜并干扰DNA/mRNA合成而发挥抗菌作用。本研究中改性组增殖降低而矿化升高，符合成骨细胞分化进程中的典型现象。S. aureus粘附减少主要归因于SLA和等离子体引起的表面形貌和亲水性变化干扰了微生物表面组分识别黏附基质分子（MCRAMM）；而E. coli粘附的减少主要依赖rhSLPI的生物活性。研究局限性包括未进行X射线光电子能谱（XPS）或傅里叶变换红外光谱（FTIR）等直接化学表征，未评估样品长期稳定性和耐腐蚀性，未进行细胞骨架动态观察和骨分化基因表达检测，抗菌测定仅反映代谢活性而非绝对菌落数，且仅在健康hFOB 1.19细胞系上进行，无法完全模拟老年或骨质疏松患者的 compromised 骨环境，也未研究rhSLPI的抗蛋白酶功能，仍需体内动物实验验证。
研究结论指出，该研究首次开发了结合SLA、氩气非热等离子体处理和SLPI涂层的组合策略。该联合方法显著增强了人成骨细胞的粘附、铺展和矿化，同时表现出抗菌粘附功效。因此，这项研究为骨科和牙科种植体的进一步研究提供了基础模型，并有望成为提高种植体临床成功率的潜在策略。
