原文作者解读：安徽医科大学郑顺丽副教授——超疏水钛基植入物在抗菌应用方面的研究进展 | MDPI Coatings

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安徽医科大学口腔医学院副教授，硕士研究生导师，新加坡南洋理工大学博士后研究员。研究领域为超浸润仿生智能纳米复合材料、金属表面防护性功能材料、表面亲疏水改性材料、防腐蚀材料、自清洁防污材料、防冰材料和表面耐磨损改性材料等，现主要研究方向为口腔树脂材料和种植体表面改性以及牙齿表面生物清污材料的构建，涉及材料自清洁、抑菌和防腐等性能的评价。主持国家自然科学基金青年项目、安徽省重点研究与开发计划项目、安徽省自然科学基金青年项目、安徽省转化医学研究院科研基金项目以及安徽医科大学基础与临床合作研究提升计划项目等。发表学术论文30余篇，其中以第一作者和共同通讯作者身份发表论文10余篇。获授权国家发明专利1项。目前担任国际期刊 Coatings 和 Journal of Renewable Materials 客座编辑，安徽省第十四批“115”产业创新团队骨干成员。

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安徽医科大学口腔医学院教授，硕士研究生导师。国际牙科研究协会会员，中华口腔医学会口腔材料专业委员会青年委员，中华口腔医学会口腔修复专业委员会青年委员，上海交通大学医学院第九人民医院集团口腔修复专科联盟工作管理委员会委员，安徽省口腔修复学会常委。研究领域为口腔生物材料的仿生构建研究与转化工作。主持国家自然科学基金项目、安徽省重点研发与开发计划项目、安徽省自然科学基金青年项目以及安徽省转化医学研究院科研基金项目等。以第一作者和共同通讯作者身份发表论文10余篇。获授权国家发明专利多项。担任多个国内外学术期刊审稿人。荣获安徽省科学技术进步奖 (自然科学类) 三等奖、安徽省第一届“青年江淮名医”等荣誉称号。

研究背景

为了应对日益增长的人造骨骼、关节植入物和种植牙需求，钛及其合金以其强度高、防腐性能好和生物相容性优异等优点被广泛应用于临床植入材料。然而，与植入物相关的细菌感染或炎症仍然是导致植入失败的主要原因，威胁着人类健康，并已成为全球性问题。以牙科种植体为例，常见的失败原因是种植体周围炎性疾病，如种植体周围炎，导致骨缺失，甚至缩短植入物使用寿命。

传统的防止细菌生长和生物膜形成的策略主要基于抗生素、抑菌杀菌化学制剂等化学方法，这些方法具有毒性和耐药性风险，因此不具备长期使用价值。假设对植入物表面进行修饰，创造一个非蛋白质的、自洁的表面用于细菌粘附，并抑制牙菌斑的初始粘附，必将从源头病因学角度给抗菌斑生物膜研究提供新的思路和方向。超疏水表面以其耐水性、自清洁能力和低粘附性等特点在医用抗菌领域引起了广泛关注，有望成为防止菌斑和生物膜形成的重要解决方案。其抑制细菌粘附的机制是利用仿荷叶微-纳米分级结构和低表面能物质修饰的协同作用，在材料表面形成一层空气层，减少与细菌的接触面积 (位点粘附)，从而防止细菌粘附，形成细菌生物膜。

研究内容

本综述主要介绍了润湿性的基本理论，生物膜形成的四个步骤，以及超疏水钛基植入物在骨科、牙科以及心血管植入物三个领域的抗菌应用研究进展 (图1所示)。

图1. 超疏水钛基植入物抗菌应用研究。

在润湿性基础理论中，Young's 方程只有在固体表面处于绝对光滑、不变形且组成成分完全均匀的理想状态时才能使用，但在实际应用中固体表面却并非如此，继而出现了 Wenzel 模型和 Cassie 模型。在 Wenzel 模型中，当液滴接触粗糙固体表面时，凹槽完全充满液体 (图2a)。“花瓣”状态被视为 Wenzel 模型的一种特例 (图2b)。Wenzel 模型应用建立在粗糙表面上，但限制于固体表面化学成分是均一的。

Cassie 模型可适用于不均一的粗糙表面和多孔表面，该表面能够滞留空气，形成一层空气层，具有超疏水性能 (图2c)。“荷叶”状态被视为 Cassie 模型的一种特例 (图2d)。当液滴与大多数固体表面接触时，也会存在 Wenzel 和  Cassie 模型共存状态 (图2e)。此外，还有一种高粘附性“壁虎”模型 (图2f)，其表面有两种类型的滞留空气，即密封空气和大气相连的空气。

图2. (a) Wenzel 模型；(b) “花瓣”状态 (Wenzel 模型的一种特例)；(c) Cassie 模型；(d)“荷叶”状态 (Cassie 模型的一种特例)；(e) Wenzel 和 Cassie 模型共存；(f) “壁虎”模型 (橙色区域代表密封空气，其余代表大气相连空气)。

细菌与材料表面的相互作用，解释了生物膜的形成是多步骤 (通常是周期性) 过程，分为四个阶段 (图3)：细菌粘附到材料表面 (过程可逆)；细菌定植到材料表面 (过程不可逆)；生物膜的形成和成熟；细菌增殖，直至完全覆盖材料表面。

图3. 生物膜形成示意图。

作者从骨科、心血管和牙科三类植入物入手，总结了不同种类的超疏水钛基植入物在抗菌应用方面的研究进展。在骨科植入物中，有研究表明与亲水和疏水钛表面相比，超疏水钛表面细菌分布地更少、更分散，可以更有效抵抗细菌的粘附，有助于降低器械相关感染的风险。在牙科植入物中，有研究表明在革兰氏阳性菌 (芽孢杆菌属) 和革兰氏阴性菌 (假单胞菌属) 培养物中培养48h 后，超疏水钛表面的生物膜厚度远小于未涂覆的裸钛表面。在心血管植入物中，有研究表明，在金黄色葡萄球菌和大肠杆菌中培养6h 和24h 后，超疏水钛合金表面几乎没有观察到细菌。上述结果表明超疏水钛基表面有助于抑制革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌粘附和生物膜的形成，在支架和心脏瓣膜等血液接触的医疗器械中具有巨大的应用前景。

研究总结和展望

本综述介绍了润湿性的基本理论，解释了生物膜形成的步骤，详细介绍了超疏水钛基植入物在骨科、心血管和牙科三类植入物抗菌应用方面研究进展。然而，超疏水钛基植入物在今后的抗菌应用研究中仍需克服一些问题，即缺乏系统全面地从源头病因学角度研究超疏水表面抑制细菌粘附的抗菌机制、超疏水表面是否具有广谱抗菌性和耐久性。

该综述对基础科学研究和临床应用具有一定的参考价值，有助于快速扩大钛基超疏水物质在医疗领域的抗菌应用。作者相信具有优异抗菌性能和生物相容性的钛基超疏水材料有望在不久的将来应用于临床，造福于广大患者。

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Rao, Q.; Weng, L.; Zhang, J.; Liu, D.; Zhang, W.; Chen, S.; Chen, J.; Li, X.; Qiu, H.; Cao, Y.; Li, Q.; Zheng, S. Research Progress in Superhydrophobic Titanium-Based Implants for Antibacterial Applications. Coatings 2023, 13, 419.

Coatings 期刊介绍

主编：Alessandro Lavacchi, Istituto di Chimica dei Composti OrganoMetallici (ICCOM-CNR), Italy;

Wei Pan, Tsinghua University, China

期刊专注于发表涂层、表面、界面及薄-厚膜领域的研究成果。目前，期刊已被 Scopus、ProQuest、SCIE (Web of Science) 等数据库收录。

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本文由原文作者郑顺丽副教授翻译撰写，文中涉及到的论文翻译部分，为译者在个人理解之上的概述与转达，论文详情及准确信息请参考英文原文。本文遵守 CC BY 4.0 许可 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。如需转载，请于公众号后台留言咨询。

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