耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）引起的植入物相关感染（IAI）是整形外科临床中的严重并发症。Ti6Al4V是骨科常用植入材料，但该材料应用中极易受到细菌感染。在这项研究中，研究者制备了一种能够释放铜离子（Cu2+）的含铜钛合金（Ti6Al4V-Cu），用于预防和治疗MRSA引发的IAI。
研究者首先对含铜钛合金的Cu2+离子释放进行测定：每7天测量一次从铜钛合金中释放出的Cu2+离子，从曲线中可以看出Ti6Al4V-Cu合金中Cu2+连续释放至少持续42天。此外，Cu2+释放与时间呈正相关，表明Cu2+释放稳定（图1）。
接下来，研究者又对Ti6Al4V-Cu合金的体外抗菌活性进行了探究，从接种MRSA的培养皿中的菌落数可以看出：孵育12小时后，对照组和Ti6Al4V组的CFU数量均显著高于Ti6Al4V-Cu组（图2A-C）。孵育24小时后，这些差异变得更加显著（图2D-F）。结晶紫染色也表现出同样的结果（图2H），因此，Ti6Al4V-Cu对MRSA具有很高的抗菌活性。
然后研究者通过SEM观察钛合金上的菌膜形成情况：第12小时，在Ti6Al4V上观察到许多MRSA细胞，并且细菌聚集在分泌的基质周围，提示有菌膜形成（图3A）。但是，在Ti6Al4V-Cu上仅见到少数MRSA细胞，没有菌膜形成的迹象（图3B）。第24小时，大量MRSA细胞被包裹在Ti6Al4V上的菌膜中（图3C），而在Ti6Al4V-Cu上很少观察到MRSA细胞（图3D）。这些结果表明在Ti6Al4V-Cu材料上菌膜的形成受到抑制。
研究者使用RT-qPCR比较了Ti6Al4V和Ti6Al4V-Cu组中17个基因的表达水平。Ti6Al4V-Cu组中与生物膜相关的基因icaA，icaD，icaB，icaC和atlE被下调，而icaR被显著上调（图4A）。Ti6Al4V-Cu组的毒力相关基因fnbA和抗药性基因mecA，femA，femB和femX显著下调（图4B、C）。
研究者将浸泡在MRSA悬液中的合金植入大鼠股骨。术后三周，Ti6Al4V组的股骨增厚并变成深红色，这可能是由于严重的炎性细胞浸润所致（图5A、C）。但是，Ti6Al4V-Cu组的股骨显示正常形状，并变成浅红色（图5B、D）。在第6周，在Ti6Al4V组中观察到由骨破坏引起的窦道形成（黄色箭头），而Ti6Al4V-Cu组的股骨表现出正常外观。
从X线片可以观察到：在第3周，Ti6Al4V组发展出典型的IAI：表现为骨膜反应（红色箭头）和植入物周围的骨溶解（图5E、G)。但是，Ti6Al4V-Cu组仅发生轻度感染，因为在股骨远端观察到轻度骨溶解。植入6周后，Ti6Al4V组的感染已变成严重的慢性感染（图5F、H）。但是，Ti6Al4V-Cu组没有感染的迹象。同时放射评分也表现出同样结果（图5I）。
然后将股骨切片进行HE和Giemsa染色。在Ti6Al4V组中，第3周观察到化脓性感染，表现为脓肿形成（黄色圆圈）和炎性细胞浸润（绿色箭头）。植入6周后，脓肿扩大，脓肿内部形成多个坏死中心（蓝色圆圈）。此外，在骨髓腔中形成了斑纹纤维化（红色箭头），表明持续的慢性炎症。在Ti6Al4V-Cu组中，骨髓腔充满了健康的脂肪组织和原位单核细胞，没有感染或发炎的迹象（图6）。
研究者又进行了免疫组化染色，在Ti6Al4V组中，许多中性粒细胞和巨噬细胞浸入破坏性骨中，提示分别存在急性和慢性炎症。同时，Ti6Al4V组显示出高水平的IL-10和TNF-α，这是IAI中重要的炎症介质。染色的MRSA细胞与炎性细胞混合，并在第6周在Ti6Al4V组中呈现出无序的结构。但是，在Ti6Al4V-Cu组中，炎性细胞很少，炎性因子水平低，仅观察到少量的MRSA细胞（图7）。
综上所述：研究者开发了一种含铜的钛合金，该合金不仅能够连续且稳定释放铜离子，而且可以有效杀死MRSA并抑制菌膜形成。此外，在IAI的大鼠模型中也证实了其抗菌活性，证实Ti6Al4V-Cu是一种有前景的植入材料。
本研究由来自上海交通大学的戴尅戎院士团队完成，并于年10月20日发表于ActaBiomaterialia。
论文信息：YifuZhuang,LingRen,ShuyuanZhang,XiangWei,KeYang**,KerongDai*.Antibacterialeffectofacopper-containingtitaniumalloyagainstimplant-associatedinfectioninducedbymethicillin-resistantStaphylococcusaureus.ActaBiomaterialia,:–.
供稿：刘大川
审校：陈嵩
编辑：于丽丽
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