可见光激活光催化涂层与光动力疗法协同抗菌治疗种植体周围炎

《Bioactive Materials》：Synergistic antibacterial effect of photocatalytic coatings activated by visible light and photodynamic therapy for rapid peri-implantitis treatment

　　

生物膜积累及随后的种植体相关感染在生物医学领域构成重大挑战。光催化涂层虽具抗菌潜力，但在动态多态微生物感染中的临床疗效仍属新颖且持续的挑战。为解决此问题，结合可见光触发光催化涂层与亚甲蓝介导的光动力疗法（MB-PDT）有望优化治疗效果，并简化多功能涂层设计以满足多样化种植体治疗需求。本研究采用一步等离子体电解氧化技术制备了掺铋（Bi）结晶二氧化钛（TiO2）光催化涂层（Bi-TiO2）。该涂层增强了生物活性、硬度及耐磨性，均为种植体生物界面理想属性。此外，该涂层在可见光下产生活性氧（ROS），且与MB-PDT联用时因Bi-TiO2与亚甲蓝间协同波长吸收而显著增强，导致治疗仅1分钟即可实现高效微生物杀灭。进一步的体内实验证实了其抗菌功效，并显示出炎症反应减轻，从而促进伤口修复过程。该研究的概念验证数据为种植体周围感染提供了潜在解决方案，利用可见光驱动光催化涂层联合PDT对抗生物膜相关感染，同时保持影响种植牙长期寿命的特性。

该研究针对种植体周围疾病这一临床难题，探讨了可见光驱动光催化与光动力疗法协同作用的治疗机制与应用前景。论文发表于《Bioactive Materials》。

研究背景指出，尽管牙科植入物成功率较高，但约20%的患者受种植体周围炎困扰，导致显著的医疗负担。现有治疗方法对生物膜感染缺乏共识，且机械清创和抗生素治疗存在物理损伤和细菌耐药风险。虽然光动力疗法（PDT）作为一种非侵入性抗菌技术具有潜力，但其临床疗效仍需提升。为此，研究人员提出将等离子体电解氧化（PEO）技术合成的掺铋二氧化钛（Bi-TiO₂）光催化涂层与亚甲蓝介导的PDT相结合，旨在通过单一可见光照射实现协同抗菌效应。

关键技术方法包括：采用等离子体电解氧化（PEO）技术在商业纯钛（cpTi）表面制备TiO₂和Bi-TiO₂涂层；利用扫描电子显微镜结合能谱分析（SEM-EDS）、共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）、X射线衍射（XRD）及X射线光电子能谱（XPS）进行表面理化表征；通过摩擦磨损试验评估涂层机械性能；采用UV-vis漫反射光谱（DRS）和莫特-肖特基（M-S）分析评估光学响应与电荷动力学；利用电子顺磁共振（EPR）检测活性氧（ROS）生成；构建唾液来源的多元微生物生物膜模型进行体外抗菌评估；并通过大鼠皮下感染模型进行体内疗效验证。

研究结果显示，在表面制备与表征方面，PEO工艺成功在钛表面构建了海绵状涂层，Bi掺杂浓度为3.65?±?1.54?at%，涂层呈现 Anatase 和 Rutile 混合晶相，且具有更高的显微硬度和耐磨性。在光学与电荷动力学方面，Bi掺杂使TiO₂吸收边红移至约560?nm，带隙窄化至2.14?eV，并改善了载流子分离效率。在ROS生成方面，Bi-TiO₂在可见光下表现出更强的光催化活性，与MB-PDT联用后，总ROS、羟基自由基（·OH）和单线态氧（¹O₂）水平均显著提升，呈现协同效应。在体外抗菌实验中，Bi-TiO₂联合PDT处理1分钟即对多元生物膜表现出近3个数量级的杀菌效果，并导致细菌膜通透性增加和结构破坏。在细胞相容性与矿化方面，Bi-TiO₂涂层对人牙龈成纤维细胞（HGFs）和人骨髓间充质干细胞（hBMSCs）无细胞毒性，并能促进钙结节形成和模拟体液中磷灰石沉积。在免疫调节方面，Bi-TiO₂涂层及其释放的Bi³⁺离子可诱导巨噬细胞向M2型极化，降低促炎因子TNF?α分泌。在体内实验中，大鼠皮下植入模型证实Bi-TiO₂联合PDT组菌落计数显著降低，周围组织炎症细胞浸润减少，成熟胶原比例增加，且促炎细胞因子表达水平趋近无菌对照组。

讨论与结论部分强调，该研究设计的Bi?TiO₂涂层具有多重优势：其混合晶相结构提升了摩擦学性能；在细胞层面既不损害牙周组织细胞活力，也不引发过度软组织反应；最为关键的是，在体外多元生物膜模型和皮下感染模型中均表现出卓越的抗菌效力。通过单一可见光波长同时激活Bi?TiO₂光催化与PDT，实现了“智能且安全”的策略，有效抑制种植体周围感染。从机制上看，Bi掺杂缩小了TiO₂的带隙并稳定了电荷载流子，维持光催化ROS的生成；同时亲水的Bi?TiO₂表面吸附亚甲蓝，在同一波长下实现光动力激活。综上所述，该研究通过将强效抗菌作用与耐磨性、生物相容性及优良的细胞?材料相互作用等关键表面属性相结合，证明Bi?TiO₂在推进现代种植学及延长种植体寿命方面具有巨大潜力。