《Materials Chemistry and Physics》：Mussel-inspired protein coating for Ti alloy implants
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钛基植入物表面通过TDP-43蛋白与贻贝粘附蛋白（MFP）复合涂层改性，显著提升骨整合能力和抗菌性能。涂层利用TDP-43的液-液相分离特性增强结构稳定性，同时结合MFP的强附着力改善表面亲水性，实验证明其促进细胞附着增殖并抑制细菌定植，为骨修复提供新策略。
卢青华|秦建宁|周凯|史焕军|冯杰|侯向婷|宋玉露|龙旭兴|张佩雷|严华|史海川
上海工程技术大学材料科学与工程学院，中国上海201620
摘要
由于钛及其合金具有优异的机械性能和生物相容性，它们被广泛用于骨科和牙科植入物。然而，它们固有的生物惰性限制了与周围骨组织的整合，影响了植入物的成功率。为了解决这个问题，采用功能性生物涂层对表面进行改性成为一种有前景的策略，以提高骨整合潜力和抗菌性能。在这项研究中，我们通过将TDP-43蛋白与贻贝粘附蛋白（MFP）结合，开发了一种新型生物活性涂层。MFP受到贻贝足蛋白的启发，提供了强大的湿粘附力和良好的表面相互作用，而TDP-43则赋予了独特的液-液相分离特性，增强了涂层的结构和生物响应性。将这种复合TDP-43/MFP涂层应用于钛基底上，并对其表面特性、生物相容性和抗菌活性进行了系统的评估。结果表明，改性表面表现出改善的亲水性，促进了细胞粘附和增殖。此外，该涂层有效抑制了细菌粘附和生物膜的形成，显示出显著的抗菌能力。这两种生物功能以及增强的细胞相容性和抗菌性表明，这种复合涂层在骨科和牙科植入物应用中具有潜力。本研究提出了一种新型复合涂层，将TDP-43介导的液-液相分离（LLPS）整合到受贻贝启发的蛋白质系统中，为钛植入物表面功能化提供了一种新方法，具有更好的生物性能，并有望改善植入物的整合和骨修复。
引言
医用级钛（Ti）及其合金因其良好的机械性能、耐腐蚀性、化学稳定性和生物相容性而被广泛应用于骨科、牙科和其他硬组织重建领域[1]、[2]、[3]。然而，基于钛的植入物的固有生物惰性仍然是实现牢固骨整合的主要障碍；它显著影响了成骨细胞的粘附、增殖和分化，导致植入物与周围骨组织之间的界面结合强度不佳[4]。
除了生物惰性外，植入物周围的感染是一个常见的临床并发症，通常伴有疼痛、炎症、骨溶解和植入物失败风险增加，从而严重影响了术后恢复和患者的生活质量[5]、[6]。尽管控制炎症反应有助于促进骨修复，但由细菌感染引起的持续和严重的炎症会对新骨形成和骨重塑产生不利影响，最终导致植入物失败[7]、[8]。骨再生是一个高度协调的过程，需要炎症调节和骨生成之间的复杂耦合，巨噬细胞、成骨细胞和间充质干细胞（MSCs）是主要参与者[9]、[10]、[11]。细菌感染不仅破坏了钛表面与驻留细胞之间的相互作用，还损害了植入物周围的骨整合质量[12]、[13]。
因此，已经探索了多种表面改性策略[14]、[15]。然而，对于基于钛的植入物来说，迫切需要开发能够在生理条件下同时促进骨整合并提供强大抗菌效果的多功能系统。这样的系统预计将表现出明显的生物活性，以增强骨整合，并具有强大的抗菌性能，从而改善植入物整合的结果。
近年来，生物涂层策略——特别是那些模仿海洋生物（如贻贝）水下粘附机制的策略——已成为提高基于钛的植入物性能的关键途径[16]、[17]、[18]。贻贝通过其足蛋白（尤其是Mytilus足蛋白-5（MFP-5）在水环境中实现牢固且持久的粘附，其独特的氨基酸组成（丰富的赖氨酸残基和3,4-二羟基苯丙氨酸，DOPA）赋予了卓越的界面稳定性和适应性亲和力[19]。最近的研究表明，模仿贻贝的粘附涂层不仅显著提高了金属基底的亲水性，还调节了细胞-材料相互作用，从而以可控和可重复的方式促进了细胞粘附和增殖[20]、[21]。杨[22]开发了一种贻贝粘附蛋白/透明质酸共聚物生物粘合剂。它加入了多巴胺以增强柔韧性，并显示出对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌活性。胸腺肽的添加进一步改善了成纤维细胞的迁移，显示出在伤口修复应用中的潜力。TDP-43蛋白因其液-液相分离（LLPS）特性而近年来在生物医学领域受到了广泛关注。研究表明，TDP-43通过其低复杂度结构域（LCD）在细胞内形成液滴，这一过程与细胞应激反应和病理聚集密切相关[23]。具体来说，TDP-43的非共价相分离在沉积过程中促进了分子的自主分隔和密集堆积，使得表面更加光滑，均匀性更好，且无需额外的化学交联即可实现更好的水合。与传统缺乏这种动态相行为的贻贝启发肽复合材料相比，这导致了更优异的涂层均匀性、更高的表面亲水性和在生理湿润条件下的长期稳定性。
本研究旨在探索基于TDP-43蛋白的贻贝足蛋白复合涂层在钛基金属植入物上的应用。通过结合TDP-43的LLPS特性和贻贝足蛋白的粘附特性，我们期望开发出一种具有优异抗菌性能和支持骨整合潜力的钛基生物涂层。这种新方法将TDP-43与贻贝足蛋白结合，创造出一种多功能生物涂层，在生理条件下提供更好的涂层均匀性、亲水性和长期稳定性。
样本制备和涂层工艺
使用尺寸为?12mm×3mm的TA1纯钛圆盘（宝钛集团，陕西，中国），使用240#至2000#的研磨纸逐步研磨，并用硅抛光悬浮液精密抛光至0.02μm。随后，它们分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中进行20分钟的超声清洗。空气干燥后，钛圆盘在高压灭菌器中于121°C下灭菌并干燥以备使用。重组贻贝粘附蛋白类型5
显微表征特性
SEM和AFM分析显示样品之间存在明显的表面结构差异，如图2（a）和（d）所示。对涂层表面的显微形态观察有助于选择最佳的涂层参数。图2（a）展示了钛表面的孔隙和颗粒结构，XPS氧谱证实了通过大气氧化形成了TiO2[24]钝化层。图2（b）显示了MFP0.05和TDP-MFP0.05表面的明显蛋白质颗粒，其中TDP-43
结论
总之，这项概念验证研究表明，TDP-MFP0.05复合涂层改变了钛表面的化学性质和润湿性，从而提高了亲水性和均匀性。这些变化与体外实验结果相关，包括减少了细菌定植、增强了与人软骨细胞和真皮成纤维细胞的细胞相容性，以及降低了巨噬细胞产生的促炎细胞因子的分泌。虽然其背后的确切机制尚不清楚
作者贡献声明
严华：验证、软件处理。史海川：监督、研究。龙旭兴：验证、研究。张佩雷：验证、监督、资源提供。卢青华：写作——审稿与编辑、验证、监督、资金筹集。秦建宁：方法学、研究、正式分析、概念构思。周凯：写作——初稿撰写、验证、研究、数据管理。侯向婷：验证、研究。宋玉露：验证、研究。史焕军：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了上海第三类高峰学科——材料科学与工程（高能束智能加工和绿色制造）的支持。
