“抗菌兼成骨”效应是种植牙和人工关节等骨植入器械的临床急需。传统解决思路是将抗菌组分和促成骨组分机械混合施于基材表面,这无法排除抗菌组分对正常细胞的不利影响,难以平衡临床“抗菌兼成骨”需求, 不利于抗菌功能化技术的临床推广。中科院上海硅酸盐研究所曹辉亮副研究员(青促会会员)和刘宣勇研究员(青促会会员)基于贯通“材料”和“生物”领域的“质子耦合电子转移”理论,提出“双功能微电池效应”抗菌思路(如图)。该思路将抗菌的惰性金属(如银)和促成骨的活泼金属(如钙)同时引入钛表面构建“双功能微电池”,利用“微电池”的阴极析氢反应“扰乱”细菌能量合成功能所依赖的“质子浓度梯度(PMF)”与“微电池”的阳极腐蚀(离子释放)反应“引诱”细菌“储备”活性离子(消耗能量),两者协同使细菌处于严重“应激”状态。更重要的是, 这种“双功能微电池效应”可激活大鼠骨髓间充质干细胞整合素调控的成骨通路,促进骨整合。该研究将抗菌与组织整合联系起来设计,成功制备了具有细胞选择特征的抗菌表面,为制造“抗菌兼成骨”型植入器械提供了新方向。相关研究以“Bifunctional galvanics mediated selective toxicity on titanium”为题发表在Materials Horizons(IF=10.706) 2018, 5:264-267。

细菌感染是导致医用植入器械失效的首要原因之一。表面工程技术的发展为解决医用材料植入相关感染问题提供了新的途径。中国科学院上海硅酸盐研究所刘宣勇研究员带领的生物材料表面与界面团队针对传统抗菌材料毒性大、抗菌活性不可控、抗菌与组织整合不兼容的弊端,经多年努力,探索出无机纳米抗菌材料可控镶嵌技术,提出基于“肖特基接触”和“微电池”效应赋予医用金属表面“安全”、“可控”抗菌功能,发表系列研究结果:Biomaterials2015, 65:22; Biomaterials 2014,35:7699; Biomaterials2014, 35:9114; Biomaterials  2011, 32:693; J Phys Chem Lett2014,5:743;ACS Appl Mater Interfaces2017,9:5149;ActaBiomaterialia2013,9:5100; Acta Biomaterialia 2012, 8:904等。其中Biomaterials2014, 35:7699和Acta Biomaterialia 2012, 8:904入选ESI高被引论文。这些研究为“安全抗菌”型医用植入器械的研发和临床推广提供了科学依据和技术参考。