實驗所用的仿生人工髋關節臼杯，主要成分為醫用钛合金。
新型生物材料“充電”後能殺滅細菌？近日，中國科學院深圳先進技術研究院（以下簡稱“深圳先進院”）研究團隊聯合香港城市大學以及中科院北京納能所開發出一種基于電容塗層、通過充放電以實作有效抗菌的新型生物材料，反複充電後的殺菌效率能超過90%，具有效率高、風險低、應用空間廣泛等特點。
該技術有望應用于牙科及骨科植入材料中，以降低患者的術後感染風險，相關論文“一種基于碳摻雜二氧化钛納米管電容特性的新型抗菌平台”不久前發表于國際知名學術期刊《自然·通訊》。深圳先進院生物醫用材料與界面研究中心研究員王懷雨介紹，相關産品研發已于近期獲批中科院科技服務網絡計劃區域（sts計劃）重點項目。
反複充電後殺菌效率超90%
公開資料顯示，钛及其合金作為外科植入物材料，應用十分廣泛，具有密度小、強度高、韌性好、生物相容性好、無毒等優點，但其缺點亦十分明顯：這種材料本身并不抗菌，植入人體後較易發生感染，大都需要服用抗生素、銀離子等來抵抗細菌，前者作用于小範圍區域的抗菌效率并不高且容易讓細菌産生耐藥性，後者則本身就具有一定的毒性，存在一定的安全隐患。
如何在充分利用钛合金材料優勢的基礎上，又保證其能抗菌呢？王懷雨和項目執行人之一、中科院深圳先進院客座博士生王國敏在此前的研究中發現，通過引入碳元素，來替換二氧化钛中的氧元素，能夠提高電容量、實作電容調控，“随着電容的不斷增加，其抗菌的效果也随之增加，這是一種很好控制的方式”。
事實上，陽離子具有抗菌性的原理并不複雜，其是基于正電荷，通過靜電作用粘附于帶負電的細菌表面，最終導緻細菌衰亡。基于這一成熟的研究背景，團隊作了進一步的大膽假設：對钛合金材料進行元素替換後，樣品隻需要在2伏特電壓下進行15分鐘充電，便能保持3小時的殺菌效果，反複充放電後，其殺菌效率能提到90%以上。
未來或加入無線充電技術
舉例而言，以往将钛合金作為牙科材料時，牙龈部位容易有菌斑附着，形成生物膜（細菌胞外大分子包裹的有組織的細菌群體），導緻細菌難以被根除。“現在我們研究通過充電的方式，将細菌殺死，未來還會加入無線充電技術，提高充電效率和便捷度。”王懷雨說。
以骨植入手術為例，術後前一個月較易發生感染，該時段内便适合運用這項技術，未來若加入無線充電技術後，術後護理也将更友善、安全。“這一概念很棒，将來如果落地形成産品，将會有很大的市場空間”，王懷雨直言，該項研究未來可能碰到的問題也很多，比如怎樣控制效率，人體對無線信号的阻擋等。
這項研究也并非一帆風順。王懷雨介紹，抗生素的殺菌效率往往能達到99%，而通過充放電以實作有效殺菌的新型生物材料，其殺菌效率一次能超過80%，反複使用可達到90%以上，從數字上來看，依然低于抗生素，“未來我們還會優化該材料，使其達到和抗生素類似的效果，這是我們目前碰到的最大難點。”王懷雨說。
王國敏表示，其研究的材料優勢是副作用很小而且針對性很強，“抗生素往往作用于全身，我們隻需要有針對性地進行充放電即可，不會引發全身的副作用”，她介紹，這種方法和其他抗菌方法的機制不一樣，是以不會有交叉耐藥的風險。
目前，該實體抗菌方法已在大腸杆菌、綠膿杆菌、金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌等菌種上進行了廣泛的效果驗證，且被證明能通過循環充放電來實作對菌膜的有效抑制。
交叉學科碰撞出新材料“火花”
除了應用于骨科和牙科等醫學領域，未來這一新型生物材料還有更廣闊的應用空間。“比如養魚的魚池也需要殺菌，如果應用我們的金屬材料，通過充放電來殺菌也是一個可以考慮的方式；再比如在嚴苛條件下的快速殺菌，如在戰場附近進行手術，也能應用我們的技術。該材料未來有更大的發揮空間。”王懷雨說。
“通過充放電實作生物材料的殺菌特性，我們走在了科研領域的最前沿，目前國際社會上還沒有類似的研究。”王國敏告訴記者，研究這一技術需要能源、生物、材料等多重學科交叉，而香港城市大學和深圳先進院的合作，則提供了合适的平台，“我們目前正在做動物實驗，并尋求骨科相關企業進行合作，後續效率等達到滿意水準，才會真正地進行臨床應用”。
王懷雨也持相同的觀點，他認為，生物材料本身就是交叉學科，是很多學科融合在一起，每個人都有自己的特長，能夠取長補短，最終做出更出色的工作。“生物材料是一個交叉學科，研究者需要懂得的知識不能局限于生物和化學領域。剛開始做研究時，我補強了自己在材料方面的知識，讓自己的知識面變得更廣。”
南方網全媒體記者蘇梓威 攝影魯力