基于电荷转移干扰的MnOx装甲镁植入体：抗骨肉瘤与生物膜根除新策略

《Materials Today Bio》：MnO x-Armored Magnesium Implants for Anti-Osteosarcoma and Biofilm Eradication by Charge-Transfer Interference

本研究针对骨肉瘤术后肿瘤复发和细菌感染的双重挑战，开发了一种在ZE21C镁合金表面构建不同Mn3+/Mn2+比例的MnOx纳米涂层的新型骨植入材料。通过热处理调控Mn价态分布，材料在近红外照射下产生光热效应和光生载流子，形成跨膜电子转移通道，特异性破坏肿瘤细胞和细菌膜结构。体内外实验证实该材料具有优异抗腐蚀性、生物相容性及选择性抗肿瘤/抗菌功能，为智能骨组织工程材料设计提供了新思路。

　　

骨肉瘤是常见于青少年群体的恶性骨肿瘤，具有高转移率和死亡率的特点。临床治疗通常采用手术切除结合放化疗的方案，但术后易出现肿瘤复发和细菌感染两大难题。传统植入材料如钛合金、不锈钢等缺乏主动抗肿瘤和抗菌功能，而放化疗的副作用又会抑制患者免疫功能，增加感染风险。尤其值得关注的是，细菌抗生素耐药性问题日益严重，金黄色葡萄球菌感染已成为患者第二大死因。面对这些挑战，开发兼具抗肿瘤和抗菌功能的智能骨植入材料具有重要临床意义。

镁合金因其与人体骨骼相近的弹性模量和可降解特性，被视为新一代骨植入材料的理想选择。但其过快降解速率易引发局部炎症反应，且本身不具备足够的抗肿瘤和抗菌活性。研究表明，细胞膜结构和功能完整性对维持哺乳动物细胞和细菌的稳态平衡至关重要。肿瘤微环境和细菌感染部位具有酸性pH、高过氧化氢和谷胱甘肽水平等特征，这为靶向治疗提供了有利条件。近年来，通过电荷转移调控细胞行为的研究多集中于压电、铁电等导电材料，但这些材料的生物安全性仍需审慎评估。

在这项发表于《Materials Today Bio》的研究中，郑州大学材料科学与工程学院的研究团队开发了一种新型MnO_x纳米涂层修饰的镁植入体。研究人员通过等离子体电解氧化在ZE21C镁合金表面形成多孔结构，随后通过水热法和热处理构建了具有不同Mn³⁺/Mn²⁺比例的MnO_x纳米涂层。该设计的创新之处在于利用锰氧化物半导体特性，在近红外光照下产生光热效应和光生载流子，通过电荷转移干扰机制特异性靶向肿瘤细胞和细菌。

研究团队采用了一系列关键技术方法开展实验：通过扫描电子显微镜和X射线光电子能谱表征材料表面形貌和元素价态；利用电化学测试和浸泡实验评估材料腐蚀性能；采用808 nm近红外激光照射测试光热转换效率；通过谷胱甘肽消耗实验和TMB显色反应评估催化活性；选用人骨肉瘤细胞143B和小鼠成纤维细胞L929进行体外细胞实验；建立小鼠皮下骨肉瘤模型进行体内验证；采用流式细胞术、荧光染色和RT-PCR等技术分析细胞凋亡和基因表达。

研究结果首先证实了材料成功制备与性能优化。扫描电镜显示MnO_x涂层呈现花菜状结构，完全封闭了PEO涂层的孔隙，涂层厚度达到9.5 μm。XPS分析表明随着热处理进行，Mn³⁺/Mn²⁺比例从0.9:1增加至1.5:1，MnO_x-3样品中Mn₂O₃成为主导相。这种价态变化显著提升了材料性能：电化学测试显示所有MnO_x涂层样品均显著提高了耐腐蚀性，腐蚀电流密度降低一个数量级；光热测试表明MnO_x-3样品在近红外照射下5分钟内温度升至61.1°C，光热转换效率达51.1%。

在催化性能方面，研究发现了显著的价态效应。GSH消耗实验显示MnO_x-3样品在3小时内消耗最多谷胱甘肽；TMB实验证实其在近红外照射下10分钟内即可催化产生大量·OH。这种增强的催化活性归因于Mn³⁺含量的增加，使其在肿瘤微环境酸性条件下能更有效进行氧化还原反应。

抗肿瘤实验结果令人鼓舞。活/死细胞染色显示，在近红外照射下，MnO_x-3样品表面的肿瘤细胞几乎全部死亡。流式细胞术分析表明MnO_x-3样品促使22.88%的肿瘤细胞发生凋亡。JC-1染色显示该样品能显著降低肿瘤细胞线粒体膜电位。基因表达分析发现MnO_x-3样品上调了Caspase 3、Bax等凋亡相关基因，下调了整合素、PI3K等粘附增殖相关基因的表达。

抗菌实验结果显示MnO_x涂层对革兰氏阴性菌大肠杆菌和革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌均具有显著抑制作用。在不加近红外照射时，MnO_x-3样品对两种细菌的抗菌率分别达到99.6%和98.1%；加近红外后抗菌率均超过99.9%。膜电位和ROS检测表明MnO_x-3样品能有效降低细菌膜电位，促进细胞内活性氧生成。扫描电镜观察发现与MnO_x-3样品直接接触的细菌出现明显结构塌陷和变形。

生物安全性评估证实了材料的临床应用潜力。L929细胞实验显示所有MnO_x涂层样品均促进细胞粘附扩展，其中MnO_x-3样品表现最佳。溶血率低于2%的安全标准，血小板激活实验表明MnO_x-2和MnO_x-3样品不会促进血栓形成。小鼠体内实验13天后，血常规、血生化指标和器官HE染色均未发现明显毒性反应。

研究讨论部分深入分析了作用机制。在肿瘤微环境中，Mn³⁺/Mn²⁺氧化还原循环通过消耗GSH和催化H₂O₂产生·OH，诱导肿瘤细胞膜和线粒体膜脂质过氧化。同时，近红外照射下半导体产生的光生电子-空穴对通过跨膜电子转移通道破坏膜结构稳定性。对于细菌，Mn³⁺可直接从细菌膜磷脂分子和细胞色素中夺取电子，干扰质子耦合电子传递呼吸链，破坏能量代谢。这种双重机制使得材料能够特异性靶向肿瘤细胞和细菌，而对正常细胞影响较小。

该研究的重要意义在于首次将锰氧化物的半导体特性与镁合金的骨植入优势相结合，通过精确调控Mn价态比例，实现了对肿瘤细胞和细菌膜电位的特异性干扰。这种基于电荷转移干扰的策略为设计智能骨组织工程材料提供了新范式，不仅解决了骨肉瘤术后治疗中的肿瘤复发和感染控制难题，还为开发其他多功能生物材料开辟了新方向。材料良好的生物相容性和可降解性进一步增强了其临床转化潜力，标志着骨植入材料研究迈入了主动调控细胞行为的新阶段。