天津医科大学口腔医院李长义/李莺团队：用于抗感染和增强骨免疫调节的“光热电”种植牙

天津医科大学口腔医院李长义/李莺团队：用于抗感染和增强骨免疫调节的“光热电”种植牙

种植义齿作为第三副牙齿，逐渐成为缺牙患者实现美学与功能修复的主流选择。随着种植体市场的快速发展，抗感染与快速骨整合作为种植体面临的两大核心挑战，引发广泛关注。

临床上现有抗感染策略（如抗生素治疗、机械清创）存在耐药性风险、生物膜清除不彻底等问题；而表面改性技术虽能部分改善抗菌性能，却普遍面临抗菌谱窄、作用周期短、骨免疫调控不足等局限。如何构建兼具清除菌斑生物膜并高效抗菌、优化免疫微环境促成骨和良好安全性的种植体表面工程体系，仍是亟待突破的科学难题。

针对以上科学问题，天津医科大学口腔医院李长义和李莺团队在《纳米》（ACS Nano）杂志发表题为“Photo-Thermo-Electric” Dental Implant for Anti-Infection and Enhanced Osteoimmunomodulation的文章，基于长期抗感染和增强骨免疫调节，构建“光热电”种植牙。


       
本文设计了ZnO/黑色TiO2−x异质结表面结构，作为近红外光(NIR)响应纳米膜固定在钛(Ti)植入表面上。该纳米膜引入丰富的氧空位和异质结，通过缩小带隙和改善界面电荷转移，增强钛种植体在近红外光照下的光热和光电能力。“光-热-电”种植体通过破坏细菌胞膜和增加细胞内活性氧产生，对三种口腔致病菌（牙龈卟啉单胞菌、具核梭杆菌和金黄色葡萄球菌）表现出优异的广谱抗菌效果（>99.4%）。此外，在近红外光照射下，种植体可以有效清除多菌种生物膜并杀灭细菌。同时，该种植体还能诱导巨噬细胞M2极化，进而促进成骨细胞增殖和分化。体内实验结果证实，该牙种植体具有优越的抗菌和调控免疫促成骨特性。RNA测序显示，潜在的成骨机制涉及Wnt/β-catenin信号通路的激活和骨发育。总的来说，这种多功能的“光-热-电”平台使种植体同时具有长期抗感染和促进骨结合性能，具有较大的临床应用潜力。

方案设计和构建


ZnO/黑色TiO2−x异质结的制备和作用原理图

通过阳极氧化法在钛表面生成TiO2纳米管，然后进行阴极还原，形成黑色TiO2-x结构，最后通过原子层沉积（ALD）技术在其表面沉积ZnO层，构建出Ti-BTNT-ZnO复合结构。在体外和体内分别测试了该种植体在NIR照射下的抗菌效果和骨免疫调节性能，包括抗生物膜形成能力、成骨细胞增殖及分化、以及巨噬细胞的极化。

所建立的种植体平台不仅在近红外光照射下具有短期和长期的广谱抗菌活性，而且通过创造良好的原位骨免疫微环境，促进体外成骨和体内骨结合。


种植体的形态和晶体结构表征

主要内容&结果


材料的抑菌活性和抑菌机理


Ti-BTNT-ZnO的体内抗菌活性和成骨能力评价


基因表达谱的生物信息学分析

研究意义&总结

本研究开发了一种具有ZnO/TiO2−x异质结的光热电钛种植体，以防止感染并促进免疫成骨。合成的Ti-BTNT-ZnO种植体通过破坏细菌膜和增加细胞内ROS的产生杀灭细菌。此外，种植体在近红外照射下有效地清除成熟的多菌株生物膜，并杀灭生物膜内细菌。光热电种植体通过优化局部免疫微环境，诱导促修复性M2巨噬细胞的形成，促进成骨细胞增殖和分化。体内实验结果证实，Ti-BTNT-ZnO具有良好的抗感染功效和免疫成骨特性。RNA-seq分析显示Wnt/β-catenin信号通路和骨发育可能参与成骨机制。本研究提出了一种通过同步结合抗感染和骨免疫调控功能进行种植体表面改性的创新性策略，在牙科和骨科中具有广阔应用前景。