晏侬洋，是中国科学技术大学吴征威特任研究员团队的一名硕士生。此前，晏侬洋的家人因为做手术结识了中南大学湘雅医学院邓幼文主任。家人做手术的经历，催生了晏侬洋和导师吴征威的一个新选题，也促成了他们和邓幼文团队的合作。
通过这次合作，双方设计出一种新型钴离子复合材料，其具有抗生物膜、骨增强和巨噬细胞活性调节等作用。
首先，本次骨植入物可被用于提高骨科手术的成功率，加速患者的康复进程。
其次，通过等离子体技术赋予植入物抗菌特性，该植入物能够作为减少术后感染风险的有效手段，为患者提供更安全的材料，降低因感染而造成额外治疗的可能性。
再次，该材料能促进骨缺损修复。在骨缺损修复手术中，经过处理的材料能够促进受损组织的再生和愈合，具有优异的生物相容性与理化性能，使其成为促进骨组织自然修复的理想选择。
为防治骨科术感染提供新策略
研究中，课题组利用等离子体浸没离子注入技术，制备了这种含有钴元素的钛基骨植入物，并在生物学应用层面进行了探索。
其发现，这种创新植入物在减少细菌粘附、消除感染以及加速骨修复方面展现出卓越的性能。
研究中，他们分析和解释了钴元素在促进骨修复和调节免疫反应中的重要作用。
从生物学角度来看，钴元素的加入不仅促进了成骨细胞的分化，激活了与骨吸收和骨形成相关的多个信号通路，还有效抑制了破骨细胞的活性。这一发现对于理解含钴材料与骨组织的相互作用至关重要。
这种材料还促使巨噬细胞转变为 M2 型表型，这是一种与组织愈合和修复密切相关的免疫细胞状态，能帮助营造有利于骨骼再生的免疫环境。
这种新的植入物能够破坏细菌生物膜的形成，展现出显著的抗菌活性。以耐甲氧西林金黄色葡萄球菌为例，其粘附率降低超过 80%。
综合来看，本次研究在生物学层面为骨植入物的功能化和临床应用提供了理论基础和实践指导，为预防和治疗骨科手术后的感染提供了新策略。
同时，这项跨学科的研究成果，也为骨科植入物的发展开辟了新方向，有望在临床应用中为患者带来更好的治疗效果。
从医患关系到科研合作
如前所述，而本次研究的进行要从晏侬洋的故事说起，其家里有长辈进行了膝关节置换术后发生感染。她在回家探病期间与邓幼文团队聊起了感染性骨缺损发生的原因以及给患者带来的痛苦。
这类患者不仅要承受身体上的巨大痛苦，还要面对漫长的康复过程和高昂的医疗费用。而细菌感染引发的炎症反应，对于组织愈合过程存在显著的阻碍。
传统治疗方法为避免感染，会长期使用抗生素，这通常会导致微生物耐药性问题出现。
当时晏侬洋恰好通过等离子体杀灭环境空气中微生物的成果获得了中国研究生“双碳”创新与创意大赛银奖，于是她考虑是否可以使用等离子体解决临床感染问题。
几经尝试后，其发现直接使用等离子体进行临床处理有太多技术问题需要解决。因此决定换个思路——利用等离子体技术处理材料，给材料赋予新功能，提升材料抗菌、成骨、抗炎的性能。
阅读大量文献后，晏侬洋发现已有研究表明钴离子具备上述能力，但效果会受到剂量影响，若剂量过大则会对人体产生负面影响。
基于此，晏侬洋等人决定采用等离子体浸没离子注入技术来制备含钴钛合金骨植入物。借此发现这项技术能够精确控制植入物的物理性质和化学性质，为患者提供更好的治疗选择。
浸没式等离子体离子注入技术通过将材料暴露于等离子体环境中，并利用电场加速离子将其注入材料表面，从而赋予材料新功能。
该技术的优势在于能够精确控制离子的种类、剂量和注入深度，为材料表面改性提供了选择性和精确度。
随后，他们将钛合金植入物置于等离子体设备中，并施加高压脉冲，将钴离子注入到钛合金表面内。
这一过程涉及电流、电压、气压、气流、频率、靶材等诸多需要调节的参数，每个参数的改变都对实验结果有不同的影响，需要耐心进行数百次重复，直至找到最佳效果。
在这一过程中，晏侬洋家人与邓幼文治疗团队之间的沟通也从医患交流变成了学术交流。
晏侬洋表示：“湘雅三医院团队的加入是研究工作能够完成不可或缺的一环。他们的临床见解和技术支持，得以让本次研究达到生物医学的水准。”
与此同时，湘雅三医院的博士生周豪进行了动物实验，测试了植入物在模拟体内环境中的性能。
而课题组的目标是全面评估新制备的含钴钛合金骨植入物的关键性能，包括其生物物理适应性和抗菌活性。
这个过程不仅是对理论的验证，更是对工艺和技术成功与否的考验。基于此，他们首先关注植入物的生物物理适应性，即材料与骨组织的相容性。
在实验室里，通过将植入物与细胞的共培养，记录细胞在植入物表面的附着和生长情况。最初细胞生长效果总是不太好，以至于大家开始怀疑技术方案是否可行。
好在经过不断的工艺调整，终于在某些特定参数下观察到了促进细胞增长的现象，这一突破也让大家知道自己正在接近目标。
在结果验证阶段，需要通过动物模型实验来测试植入物的实际效果。他们选择大鼠作为实验动物模型，并为此特别定制了适用于大鼠骨结构的植入物样品，再利用此前掌握的技术参数将钴离子注入这批特制的样品。
随后在大鼠的股骨上制造了标准化的骨缺损，然后模拟临床中骨修复的情况，从而将处理后植入物精确地放置在这些骨缺损处。为了模拟感染环境，其还在部分动物模型中引入了特定细菌，建立了感染性骨缺损模型。
实际效果的评价则包括了多个方面：
首先，他们定期对大鼠进行 X 光检查，以监测新骨形成的情况。
其次，他们抽取大鼠的血液检测其中的钴离子含量，其中钴离子含量并未出现浮动，这说明钴离子的释放并未扩散，安全性有保障。
最后，他们对大鼠进行了牺牲，并对骨整合区域进行组织学分析，评估骨组织的生长和修复情况。Micro-CT（微型计算机断层扫描，Micro Computed Tomography）检查显示，植入物周围的骨密度逐渐增加，表明新骨正在形成。
组织学分析也进一步证实了新骨组织的形成和成熟，以及植入物与宿主骨之间的紧密连接。
正面的实验结果当然值得高兴，同时也带来了新的问题：是什么原因导致了新材料促进恢复的现象？
为此，他们开展了一系列分子生物学实验，包括基因表达分析和蛋白质标记实验，试图揭示背后的分子机制。
后来，经过数周努力他们终于发现：几个关键的信号通路在钴离子的作用下会被激活，从而能够促进成骨细胞的增殖和分化。
这一发现不仅提供了调控植入物生物物理适应性的理论基础，也为材料设计提供了新方向。
最终，相关论文以《一种多功能含钴植入物，通过巨噬细胞介导的免疫调节治疗生物膜感染并促进感染性骨缺损的骨整合》（A Multifunctional Cobalt-Containing Implant for Treating Biofilm Infections and Promoting Osteointegration in Infected Bone Defects Through Macrophage-Mediated Immunomodulation）为题发在Advanced Science[1]。
晏侬洋和周豪是共同一作，吴征威和邓幼文担任共同通讯作者。
后续，他们将深化对这种材料的研究，通过更大规模的临床试验来验证安全性和有效性，并将探索这种材料在生物医学等其他领域的应用。
同时，他们也将考虑拓展研究方向：一方面将继续优化等离子体处理材料后的间接生物效应，另一方面将探索等离子体直接作用于生物体的新可能性，希望能够发现等离子体技术在促进组织生长、抗菌消炎和调节免疫等方面的新应用。
参考资料：
1.Yan, N., Zhou, H., Jin, P., Li, T., Liu, Q., Ning, H., ... & Wu, Z. (2024). A Multifunctional Cobalt‐Containing Implant for Treating Biofilm Infections and Promoting Osteointegration in Infected Bone Defects Through Macrophage‐Mediated Immunomodulation.Advanced Science, 2409200.
运营/排版：何晨龙
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