钛及钛合金因其优异的力学性能、耐腐蚀性和生物相容性, 被广泛用作牙种植体材料。然而, 钛基牙种植体在临床使用中软组织封闭不佳, 易使细菌侵入诱发种植体周炎, 导致种植体植入手术失败。因此, 为提升钛基牙种植体的软组织封闭性能, 降低种植体植入手术的失败率, 国内外学者开展了持续、深入的研究。本文综述了近年来钛基牙种植体软组织封闭表面改性研究系列进展, 着重介绍了钛表面化学组分调控和微纳结构构建方法, 指出了当前研究面临的挑战以及未来发展趋势, 以期为该领域的进一步研究提供参考。

牙周炎是临床极富挑战的问题, 由口腔致病菌过度生长失衡引起, 可导致牙周组织的不可逆损伤。与清创术相比, 抗菌声动力疗法(aSDT)具有优异的生物相容性和组织穿透能力, 是一种有前景的替代方案。本工作制备了铁掺杂的钛基金属有机框架(Fe/Ti-MOFs), 研究了铁掺杂与声催化效率间的量效关系。引入Fe能够调节MOFs的能带结构和结晶度, 且未改变其晶格结构。结果表明, Fe/Ti-MOFs在超声作用下表现出增强的羟基自由基(•OH)产生能力, 从而催化杀灭细菌病原体。其中, Fe/Ti摩尔比为0.025 : 1的样品表现出较佳的声催化性能, 且受带隙工程、铁掺杂浓度和结晶度的共同调节。此外, 牙龈成纤维细胞增殖和活死染色结果表明, Fe/Ti-MOFs具有优异的生物相容性。超声响应的Fe/Ti-MOFs材料为牙周炎的aSDT提供了新的见解和策略, 有望避免抗生素的不良反应。

有效控制细菌感染并促进血管生成是加速感染性创面愈合面临的重要挑战。开发一种兼具抗菌和促进血管生成的多功能水凝胶创面敷料具有重要研究价值。本研究以Ti₃C₂Al为前驱体, 采用选择性化学刻蚀法制备Ti₃C₂T_x MXene纳米片, 并将其与可注射性聚乙烯醇(PVA)/阳离子瓜尔胶(CGG)水凝胶形成动态交联网络, 构建了具有超声响应特性的PVA/CGG/MXene(PCM)复合水凝胶。实验结果表明, CGG分子链中的季铵阳离子基团通过静电相互作用显著增强了PCM水凝胶的抗菌性能, 对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率分别达到97.34%和95.40%。MXene纳米片赋予水凝胶稳定的导电及压电特性, 在低频超声刺激下, PCM水凝胶可通过压电效应产生电信号, 进而促进细胞增殖、迁移和血管再生。大鼠全层皮肤感染创面模型证实, PCM水凝胶通过抗菌、促进血管生成和胶原沉积, 显著加快了创面愈合过程, 10 d内创面几乎完全愈合。本工作成功开发了一种集超声响应电刺激、抗菌与促进血管再生功能于一体的多功能水凝胶敷料, 为感染创面修复治疗提供了新策略。

骨植入材料易感染且具有高发性、迟发性和复发性。然而, 目前常见的抗菌手段通常缺乏选择性, 容易在杀菌的同时对正常组织和细胞造成损害。基于此, 本研究以介孔生物活性玻璃(MBG)为原料, 结合S-NO键的近红外(NIR)光热响应释放NO自由基及Cu²⁺抗菌性能, 采用氨基化偶联S-亚硝基硫醇(RSNO)制备了MBG-RSNO粉体以供给NO·, 并通过多巴胺聚合及Cu²⁺螯合合成了PMBG@Cu粉体。将上述两种粉体材料经3D打印得到PMBG@Cu/MBG-RSNO复合抗菌支架。该支架具有NIR光热响应特性, 在808 nm激光脉冲辐照条件下, 支架持续释放的一氧化氮自由基(NO·)含量高达113.71 μg/100 mg MBG-RSNO, 且光热作用将温度升高至约40 ℃, 有利于实现高效灭菌。进一步使用金黄色葡萄球菌(S. aureus)和大肠杆菌(E. coli) 评估复合支架在有/无外部NIR刺激条件下的抗菌效果。实验结果显示, PMBG@Cu/MBG-RSNO复合支架对两种菌种的抗菌效率均达到了99.9%。综上所述, PMBG@Cu/MBG-RSNO复合支架为解决骨植入材料的感染问题并实现骨缺损修复提供了一种潜在的解决方案。

铋基纳米材料作为一种新型光热试剂, 具有毒性低、环境友好、原料廉价易得等优势, 在生物光热治疗方面展示出较大的应用潜力, 但其光热转换效率和抗菌性能仍然较低。本研究首先基于课题组前期报道的“限域凝胶化”方法, 以普朗尼克聚合物F127和3-巯基丙基-三甲氧硅烷为原料, 制备了有机硅氧骨架稳定胶束内核的硅基杂化胶束前驱体, 然后通过简便的“受限还原/硫化”方法, 即利用杂化胶束有机氧化硅网络内核中丰富的巯基基团作为受限吸附位点, 硼氢化钠作为还原剂, 硫化钠作为硫化剂, 制备了超小且具有无定形结构的硫化铋团簇负载的硅基杂化胶束体系。结果表明, 该功能杂化胶束体系具有优异的光热性能, 其光热转换效率高达86.93%, 这归因于具有缺陷结构的硫化铋团簇在硅氧骨架网络中的单分散稳定负载, 增强了硫化铋纳米材料在近红外光波段的光吸收能力。体外抗菌实验结果表明, 该体系在808 nm近红外光的辐照下展示出优异的光热抗菌性能且具有良好的生物相容性。

纳米磷酸钙(nCaP)在药物递送、生物成像、抗菌、促成骨等纳米医学领域具有潜在的应用前景, 但其体内分布与代谢规律尚未完全明确, 有待深入研究。本研究采用稀土铕离子荧光标记法, 以荷瘤裸鼠为模型, 探究了两种尺寸nCaP(纳米点NDs: (2.53±0.63) nm; 纳米颗粒NPs: (107.76±25.37) nm×(17.66±1.63) nm)在肝、脾、肺、肾、肿瘤中的分布与代谢。结果显示, 裸鼠尾静脉注射200 μL质量浓度为1.5 mg/mL的两种nCaP溶液, 4 h后CaP NPs主要分布在肝脏和脾脏中, 分别占比65.70%和29.32%, 在肺脏中占比3.83%, 而在肾脏和肿瘤中仅占比0.84%和0.32%, 表明大尺寸CaP NPs更容易被网状内皮(RES)系统中的吞噬细胞捕获。与CaP NPs相比, CaP NDs在肝脏、脾脏和肺脏中的积聚显著减少了89.40%、87.00%和88.89%, 而在肾脏和肿瘤中的蓄积分别提升了3.67倍和3.06倍, 表明尺寸减小有利于CaP NDs被肾小球滤出并增强其肿瘤靶向能力。CaP NDs在肝、脾、肺中的清除率(CLz)分别是CaP NPs的6.60倍、4.14倍和2.40倍, 是肾脏的42.29%, 表明尺寸减小有助于CaP NDs被肝脏、脾脏和肺脏内的吞噬细胞迅速代谢, 但存在肾小管的重吸收作用。在肿瘤中CaP NDs的CLz值比CaP NPs降低了91.9%, 表明小尺寸CaP NDs具有显著增强的肿瘤靶向和滞留能力。进一步对荷瘤裸鼠初步建立了包含尺寸因素的nCaP生理药代动力学(PBPK)模型, CaP NDs和CaP NPs在肿瘤部位分布的预测拟合度(R²)分别达到0.925和0.827。本研究揭示了nCaP的体内分布与代谢规律, 为其医学应用提供了支撑。

无机非金属生物材料是生物材料的主要类型之一, 在组织修复、肿瘤治疗、药物递送等生物医药领域应用广泛, 为国民生命健康做出了重要贡献。我国无机非金属生物材料的研究日渐繁盛, 但其生产和应用仍处于攻坚克难阶段。为了实现我国无机非金属生物材料的高质量发展, 提高其为国民生命健康保驾护航的硬实力, 本文通过战略研究, 分析了我国无机非金属生物材料研究应用的热点和难点问题。基于目前的发展机遇与挑战, 提出了在材料的独特性能设计、材料生物学效应研究、材料介导的新原理和新机制探索、智能个性化定制、大数据筛选和人工智能设计、标准化评价和监管等方面系统发展无机非金属生物材料的建议, 以期为无机非金属生物医药产品的发展提供指导并积蓄科研和人才力量。

牙科树脂因美观、安全和容易操作等优势, 已成为目前临床最常用的龋洞填充材料, 但仍存在机械强度较低、抗菌性能不足等问题, 导致使用寿命较短。本研究首先制备了放射状介孔二氧化硅(Radial mesoporous silica, RMS)粉体材料, 再将纳米银载入其多孔孔道中, 得到载银放射状介孔二氧化硅(Ag-RMS)。将Ag-RMS与牙科树脂复合, 研究其含量对牙科树脂抗菌性能、机械性能及其他理化性能的影响。结果表明, Ag-RMS可显著提高牙科树脂抗菌性能, Ag-RMS质量分数为5%时, 对变形链球菌的抗菌率已达99.68%。牙科复合树脂机械强度随Ag-RMS含量增加而逐渐升高, 质量分数为7%时, 复合树脂弯曲强度比树脂基体高28.16%。而且, 添加Ag-RMS不会对牙科树脂的聚合收缩率、单体转化率、光固化深度和表面亲疏水性等产生显著影响。本研究所制备的Ag-RMS可提高牙科树脂的抗菌和机械性能。

相比于功能单一且易催生细菌耐药性的抗生素等药物, 具有催化活性的无机纳米功能材料凭借自身对感染微环境(弱酸、高H₂O₂含量)或外部物理刺激(激光、超声)的高响应性和广谱杀菌等优势, 在致病菌感染的治疗中占据愈发重要的地位。然而, 感染微环境酸性微弱且不稳定, 光、声信号功率密度过高会对人体细胞造成伤害, 而诸如交变磁场等非侵入性、高组织穿透性和易于远程控制的信号类型及其介导的磁电催化在抗菌中的应用尚未见报道。本研究将基于磁致伸缩-压电催化效应的交变磁场响应性纳米催化策略应用于抗菌, 并使用含氮基团L-精氨酸(LA)修饰CoFe₂O₄-BiFeO₃磁电纳米颗粒(BCFO)表面, 以实现磁电响应可控释放强杀菌物种活性氮(RNS)。在交变磁场中, BCFO同时产生羟基自由基(·OH)和超氧阴离子(·O₂^-)两种活性氧(ROS), 前者与LA反应产生一氧化氮(NO), 后者与NO反应生成RNS物种过氧亚硝酸根(ONOO^-)。作为高活性的硝化和氧化剂, ONOO^-可在生物友好的交变磁场下展现出比ROS更强的抗菌能力。本研究证实BCFO能产生ONOO^-, 并发挥更强的杀菌功效。这一研究不仅将磁电纳米催化医学策略用于抗菌, 还通过ROS向RNS转变显著提升了材料的抗菌性能。

目前感染性骨缺损修复仍然是临床难题。本研究采用微弧氧化结合水热合成方法在纯铌表面原位构建氧化铌/硫化铁异质结涂层MN@FS。结果表明,该异质结不仅具有类酶活性, 而且在超声作用下具有声动力性能。在模拟细菌感染的酸性条件下, 超声可触发异质结声动力, 并增强类氧化酶活性, 产生多种活性氧以协同抗菌/清除细菌生物膜, 其抑菌率和清除率分别为98.57%和91.43%。在模拟生理条件下, 超声可触发异质结, 增强其类抗氧化酶活性, 清除活性氧, 缓解氧化应激, 促进骨髓间充质干细胞(rBMSCs)的增殖与成骨分化。综上, 该涂层材料在感染性骨修复方面具有广阔的应用前景。

癌细胞的全身性转移是目前癌症晚期患者的主要死亡原因。由于肿瘤细胞的快速增殖和细胞外基质的异常沉积, 晚期癌症大体积瘤体组织致密且刚度较高, 这为晚期实体肿瘤的治疗带来了极大的困难。一方面, 由于大体积肿瘤的结构特性, 使得常规药物难以渗透至其内部, 免疫细胞难以浸润; 另一方面, 硬基质上的肿瘤细胞具有更强的侵袭能力, 这容易引起肿瘤的全身性转移。为了解决这一问题, 本研究制备了乙二胺四乙酸(EDTA)插层锌铝双金属氢氧化物纳米材料(EDTA/LDH), 基于两个平行的Ca²⁺剥夺机制, 开展了EDTA/LDH材料体系对晚期大体积实体瘤的抗转移免疫治疗研究。该材料在肿瘤微酸环境中, 通过静电力作用贴附在肿瘤细胞膜上, 并释放EDTA以螯合细胞连接蛋白中的Ca²⁺, 切断部分细胞连接, 从而降低大体积瘤体的致密程度, 促进免疫细胞向瘤体内浸润。此外, 该材料在机体内被巨噬细胞作为“异物”吞噬, 引起钙库操纵性钙内流, 激活巨噬细胞抗肿瘤免疫效应, 抑制多形核髓系抑制性细胞(PMN-MDSCs)和调节性T细胞(Tregs)的促肿瘤侵袭作用。本研究将为晚期恶性实体瘤的抗转移治疗提供借鉴性思路和方法。

四氧化三铁(Fe₃O₄)磁性纳米颗粒因其制备简单, 在外加磁场作用下具有靶向性，并且表面易接枝等特性, 可作为被动靶向载体应用于基因治疗领域。本研究采用溶剂热法制备纳米颗粒, 并调控堆积生长时间, 制得粒径在4~9 nm范围内可控的油相Fe₃O₄纳米颗粒; 使用内消旋-2,3-二巯基丁二酸(DMSA)二次取代其表面的油酸分子, 使其具备良好的水相分散性; 通过酰胺化反应在其表面接枝支链型聚乙烯亚胺(PEI), 最终得到Fe₃O₄-DMSA-PEI磁性纳米颗粒。研究发现, Fe₃O₄-DMSA-PEI磁性纳米颗粒的表面Zeta电位高达(52.50±1.94) mV, 具有一定的超顺磁性(14.48 emu/g, 1 emu/g=1 A∙m²/kg)。磁性纳米颗粒与质粒DNA的质量比为15 : 1时可完全阻滞DNA在凝胶上的电泳, 装载量高达6.67%。本研究制备的Fe₃O₄-DMSA-PEI磁性纳米颗粒具有一定的基因负载能力, 有望作为基因载体应用于基因转染领域。

化学动力学疗法(CDT)利用肿瘤细胞内源性H₂O₂与芬顿催化剂反应生成高毒性的羟基自由基(•OH), 从而杀死肿瘤细胞, 但内源性H₂O₂不足和纳米粒子转运效率较低导致抗癌效果不理想。本研究制备了一种分散性良好、尺寸较小的铜掺杂介孔二氧化硅(Cu-MSN), 负载化疗药物阿霉素(DOX)和抗坏血酸盐(AA)后, 表面经叶酸(FA)和二甲基马来酸酐(DMMA)改性的壳聚糖(FA-CS-DMMA)以及羧甲基壳聚糖(CMC)包裹, 得到pH响应型靶向纳米催化剂FA-CS-DMMA/CMC@Cu-MSN@DOX/AA(缩写为FCDC@Cu-MSN@DA)。扫描电镜显示纳米粒子FCDC@Cu-MSN@DA粒径约为100 nm。体外48 h内Cu²⁺释放量可达80%, 药物DOX释放达到57.3%。释放的AA经自氧化后产生H₂O₂, 诱导Cu²⁺发生类芬顿反应, 从而增强CDT。细胞实验证明, FCDC@Cu-MSN@DA联合化疗药物表现出优异的抗肿瘤活性, 说明该多功能纳米催化剂在癌症治疗中具有潜在应用前景。