含銅鈦合金調(diào)控巨噬細(xì)胞極化的研究進(jìn)展

植入合金常引起感染且難以控制，通常是由細(xì)菌在合金表面定植所引起。細(xì)菌通過黏附素黏附于種植體表面后，產(chǎn)生胞外聚合物，在合金表面形成細(xì)菌生物膜

。生物膜中的細(xì)菌會引起慢性感染，表現(xiàn)為持續(xù)的炎癥和組織損傷

。近年來，合金在植入機(jī)體后所引起的免疫反應(yīng)備受關(guān)注，有關(guān)鈦合金免疫效應(yīng)的研究報道數(shù)量呈逐年上升的趨勢。目前發(fā)現(xiàn)，銅元素的添加可以賦予鈦合金抗細(xì)菌感染的功能

。微觀結(jié)構(gòu)為α-Ti+Ti

Cu 的鈦合金具有最佳的綜合性能，包括理想的延展性、抗菌性和耐腐蝕性，具有良好的臨床應(yīng)用價值

。巨噬細(xì)胞作為機(jī)體主要的免疫細(xì)胞，在合金植入體內(nèi)后率先反應(yīng)。巨噬細(xì)胞不僅能與細(xì)菌生物膜接觸，激活殺菌能力，還能發(fā)生極化、增殖、產(chǎn)生炎性細(xì)胞因子等，誘導(dǎo)發(fā)生局部炎癥反應(yīng)

。本文對含銅鈦合金調(diào)控巨噬細(xì)胞極化的相關(guān)研究進(jìn)行綜述。

反應(yīng)結(jié)束后，體系中仍有大量的溶劑，同時由于乙酸銨的過量，造成溶劑中仍有未完全反應(yīng)的氨氣，如果直接對反應(yīng)后的溶劑進(jìn)行回收：一方面，回收結(jié)束后仍有大量殘液被視作固廢進(jìn)行處理，明顯增加企業(yè)的生產(chǎn)成本；另一方面，過量的氨氣不能得到重復(fù)利用，增加了原料成本。因此，脒基化反應(yīng)的循環(huán)實驗顯得極其重要。

1 巨噬細(xì)胞對合金的響應(yīng)行為

合金植入時不可避免地引起組織損傷。損傷組織周圍微環(huán)境釋放募集、定位和觸發(fā)炎性細(xì)胞功能的信號，協(xié)調(diào)炎癥與修復(fù)進(jìn)程。巨噬細(xì)胞率先響應(yīng)微環(huán)境刺激信號，進(jìn)行極化激活

。極化的巨噬細(xì)胞主要分M1 型和M2 型，M1 型巨噬細(xì)胞主要與急性炎癥發(fā)生有關(guān)，表達(dá)大量炎性細(xì)胞因子，而M2 型巨噬細(xì)胞主要促進(jìn)組織再生和愈合，表達(dá)抗炎因子

。

11段和13段兩句What if條件問句的使用，目的在于改變讀者對怪物的看法。即便他自負(fù)，即便他對生活不忠，這都不重要，重要的是他是個偉大的天才，是不可多得的人物。他沒時間去過正常人的生活也不足為奇。

巨噬細(xì)胞不僅參與合金植入后的反應(yīng)，且對合金能否長期穩(wěn)定地存在體內(nèi)也有影響。一方面，巨噬細(xì)胞融合形成異物巨細(xì)胞，試圖吞噬合金，并釋放降解介質(zhì)，如活性氧中間體、降解酶和酸等

。另一方面，合金在體內(nèi)被磨損產(chǎn)生碎片。碎片不僅會受到機(jī)體的免疫攻擊，引發(fā)局部組織不良反應(yīng)，還可以通過激活巨噬細(xì)胞等免疫細(xì)胞來抑制成骨細(xì)胞活性，促進(jìn)破骨細(xì)胞生成

。研究發(fā)現(xiàn)在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中植入物周圍常常發(fā)生骨溶解，最終導(dǎo)致植入失敗

。

將回收的Fe3O4-C磁性空心微球重復(fù)用于下一輪催化苯酚的類芬頓氧化降解，根據(jù)30 min后苯酚的降解率考察材料的重復(fù)利用性。再生后的催化劑反復(fù)使用5次后，其催化能力沒有明顯的下降，說明該材料具有較好的重復(fù)利用性，可以有效地節(jié)約使用成本。

2 含銅鈦合金的免疫反應(yīng)

2.1 銅元素的生物性能

水稻種子直播時一般要為露白的芽種，比較脆弱容易損壞。所以，播種時，傷種率的大小往往和護(hù)種裝置有很大關(guān)系。傳統(tǒng)的護(hù)種裝置多容易在護(hù)種過程中因與種子相對滑動而擦傷。所以，該設(shè)計使用同步護(hù)種裝置，在種子被護(hù)送過程中因與種子接觸部分是柔軟的帶材料且無相對滑動，減少了和種子的機(jī)械摩擦，大大減少了傷種情況[6]。護(hù)種帶有主動同步帶輪驅(qū)動，簡圖如圖5所示。

對比Xu 等

和Chen 等

的實驗，改變含銅鈦合金的加工方式與表面結(jié)構(gòu)，將巨噬細(xì)胞RAW264.7 以不同孔密度接種至不同的含銅鈦合金表面，均得到含銅鈦合金抑制巨噬細(xì)胞炎性表達(dá)的結(jié)果。

2.2 含銅鈦合金對巨噬細(xì)胞的極化調(diào)控

Huang 等

通過Cu-Hier-Ti 表面對巨噬細(xì)胞極化的研究，發(fā)現(xiàn)巨噬細(xì)胞在培養(yǎng)48 h 后，表達(dá)了較高的促炎標(biāo)志物，如：一氧化氮合成酶（iNOS）和較低水平的抗炎標(biāo)志物，如：精氨酸酶（Arg1）；Cu-Hier-Ti表面刺激腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）產(chǎn)生，抑制白細(xì)胞介素-2（interleukin-2，IL-2）產(chǎn)生；另外，Cu-Hier-Ti表面M1表面標(biāo)志物CD11c和促炎因子（如：TNF-α，iNOS 和IL-1β）增多。以上結(jié)果表明，Cu-Hier-Ti 表面促進(jìn)巨噬細(xì)胞向M1 極化，這是由于材料中釋放出來的Cu

激活了巨噬細(xì)胞中的銅轉(zhuǎn)運信號CTR1 和ATP7。其中，CTR1 負(fù)責(zé)細(xì)胞攝取銅，ATP7 負(fù)責(zé)細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運銅

，使巨噬細(xì)胞表達(dá)了較高的iNOS，極化為M1型

。

Hoene 等

與Walschus 等

改變含銅鈦合金的加工方式，分別植入大鼠頸部肌肉進(jìn)行體內(nèi)實驗，所得結(jié)果相同，含銅鈦合金均促進(jìn)巨噬細(xì)胞增殖和上調(diào)炎癥反應(yīng)，合金的加工方式似乎對巨噬細(xì)胞的免疫調(diào)控效果并無影響。Huang 等

先后進(jìn)行兩次實驗，將小鼠RAW264.7 巨噬細(xì)胞以相同孔密度接種于相同工藝處理的含銅鈦合金表面，盡管合金表面孔徑不同，但所得實驗結(jié)果一致，含銅鈦合金均促進(jìn)巨噬細(xì)胞增殖，促進(jìn)巨噬細(xì)胞M1 極化和炎性表達(dá)，合金的表面孔徑并不影響巨噬細(xì)胞的免疫調(diào)控效果；同時研究中還發(fā)現(xiàn)，銅的添加并不會改變合金的表面形貌和粗糙度，但可以增強表面潤濕性，而巨噬細(xì)胞的形態(tài)并沒有因表面潤濕性的改變而發(fā)生明顯變化。Chen 等

使用等離子體浸沒離子注入的方法，將銅元素引入鈦基板，使銅沉積在鈦表面形成穩(wěn)定的含銅氧化物層，以降低合金表面粗糙程度，然后對小鼠巨噬細(xì)胞細(xì)胞RAW264.7 進(jìn)行體外實驗，發(fā)現(xiàn)無論是巨噬細(xì)胞單獨接種，還是與小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞mBMSCs 共同接種于合金表面，含銅鈦合金對巨噬細(xì)胞的增殖都沒有不利影響，而且巨噬細(xì)胞均呈抗炎表達(dá)趨勢，更傾向于M2 極化，下調(diào)炎癥反應(yīng)；另外，研究者還進(jìn)行了小鼠的體內(nèi)植入合金實驗，含銅鈦合金周圍的免疫細(xì)胞顯示出與體外實驗一致的抗炎趨勢。

銅是人體必需的微量元素，具有良好的抗菌性。研究表明，含銅量大于5 wt%的鈦合金均表現(xiàn)出較理想的抗菌性能

。隨著銅含量的增加，合金的強度和硬度也逐漸提高。但是，過高的銅含量會降低鈦合金的延展性，使其易發(fā)生脆性斷裂，并且當(dāng)銅含量增加到7.5 wt%時，合金腐蝕速率增加，銅離子釋放增多，產(chǎn)生細(xì)胞毒作用

。研究表明，過量的銅會激活凋亡調(diào)節(jié)蛋白p53 介導(dǎo)的凋亡通路

，當(dāng)Cu

造成的氧化損傷嚴(yán)重且無法修復(fù)時，p53 啟動凋亡通路，促進(jìn)細(xì)胞凋亡

。

Xu 等

通過Ti6Al4V-6Cu 對巨噬細(xì)胞極化的研究，發(fā)現(xiàn)Ti6Al4V-6Cu 可顯著抑制巨噬細(xì)胞的活化增殖，抑制巨噬細(xì)胞炎性基因表達(dá)，促進(jìn)向M2型極化。PCR 檢測結(jié)果顯示，Ti6Al4V-6Cu 抑制巨噬細(xì)胞表達(dá)促炎細(xì)胞因子（TNF-α、IL-1β 和IL-6）；Ti6Al4V-6Cu 表面的巨噬細(xì)胞產(chǎn)生大量的抗炎細(xì)胞因子。Ti6Al4V-6Cu 表面的巨噬細(xì)胞表達(dá)更低水平的M1 型巨噬細(xì)胞標(biāo)志物基因iNOS 和更高水平的M2 型巨噬細(xì)胞標(biāo)志物Arg1。

另外，銅的殺菌能力與氧化應(yīng)激相關(guān)。細(xì)胞內(nèi)發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng)：Cu

+H

O

→Cu

+·OH+OH

，這個過程被稱為Fenton 反應(yīng)

。銅通過促進(jìn)活性氧（reactive oxygen species，ROS）的生成，打破Fenton反應(yīng)平衡，產(chǎn)生氧化損傷

。受到氧化損傷后細(xì)胞會產(chǎn)生膜脂化、蛋白質(zhì)不可逆的羰基化、DNA 的斷裂或突變等，從而影響RNA 的轉(zhuǎn)錄、翻譯過程

。細(xì)胞內(nèi)過多的ROS 積累會使細(xì)胞發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的損傷和死亡

。研究表明，巨噬細(xì)胞在含銅鈦合金表面生長時，吞噬的細(xì)菌數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在不含銅鈦合金上的細(xì)菌數(shù)量

，因此，推測巨噬細(xì)胞內(nèi)積累的Cu

不僅通過Fenton 反應(yīng)對細(xì)胞產(chǎn)生直接損傷，還能增強細(xì)胞內(nèi)活性氧的氧化還原循環(huán)

，這種循環(huán)會產(chǎn)生更多的氧化還原活性物質(zhì)，并消耗關(guān)鍵的細(xì)菌抗氧化劑（如：硫醇），從而導(dǎo)致細(xì)菌死亡

。

含銅鈦合金作為新型抗菌材料，植入體內(nèi)后可以調(diào)控免疫細(xì)胞的活性，促進(jìn)成骨發(fā)生，在骨科和口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。Xu等

提出，含銅鈦合金對牙齦成纖維細(xì)胞和成骨細(xì)胞均無毒性，并且能抑制巨噬細(xì)胞介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，促進(jìn)血管生成，有望應(yīng)用于促進(jìn)牙槽骨再生的鈦合金網(wǎng)片。在口腔修復(fù)領(lǐng)域，含銅鈦合金的抗菌性能使得它不僅抑制口腔細(xì)菌如變形鏈球菌和牙齦卟啉單胞菌的增殖，抑制細(xì)菌生物膜的形成，還可以抑制細(xì)菌感染引起的骨吸收，有望用作新型義齒材料

。

用鈦合金制成的常規(guī)接骨板也被廣泛應(yīng)用于外科固定骨折，但由于合金表面生物膜的形成和細(xì)菌定植常導(dǎo)致臨床使用受限

。銅的添加能增加材料的抗菌性能，抑制炎癥反應(yīng)，巨噬細(xì)胞介導(dǎo)含銅鈦合金植入后的免疫反應(yīng)，當(dāng)其極化激活為M2 型時，可表達(dá)大量抗炎因子，下調(diào)炎癥反應(yīng)，促進(jìn)組織愈合和再生。

然而，當(dāng)前含銅鈦合金的免疫效應(yīng)研究仍存在一些問題，關(guān)于銅離子調(diào)控巨噬細(xì)胞極化的機(jī)制尚未統(tǒng)一定論，含銅鈦合金如何調(diào)控巨噬細(xì)胞極化激活仍有待深入研究，同時缺乏足夠的體內(nèi)實驗驗證含銅鈦合金的免疫調(diào)控效果，這都是含銅鈦合金在臨床進(jìn)一步應(yīng)用時必須考量的問題。

Lou JY wrote the article. Geng XR and Gao HM collected the references. Fan DY revised the article. Zhao X and Wang Q revised the article. All authors read and approved the final manuscript as submitted.

[1]Koo H， Allan RN， Howlin RP， et al. Targeting microbial biofilms:current and prospective therapeutic strategies[J].Nat Rev Microbiol，2017，15(12):740-755.doi:10.1038/nrmicro.2017.99.

[2]Sweere JM， Ishak H， Sunkari V， et al. The immune response to chronic pseudomonas aeruginosa wound infection in immunocompetent mice[J]. Adv Wound Care (New Rochelle)， 2020， 9(2): 35-47.doi:10.1089/wound.2019.1039.

[3]Moniri JS， Alipour S， Akbarpour MR. Biocompatibility， osseointegration， antibacterial and mechanical properties of nanocrystalline Ti-Cu alloy as a new orthopedic material[J].Colloids Surf B Biointerfaces，2020，189:110889.doi:10.1016/j.colsurfb.2020.110889.

[4]Wang JW， Zhang SY， Sun ZQ， et al. Optimization of mechanical property，antibacterial property and corrosion resistance of Ti-Cu alloy for dental implant[J]. J Mater Sci Technol， 2019， 35(10):2336-2344.doi:10.1016/j.jmst.2019.03.044.

[5]Wang X， Li Y， Feng Y， et al. Macrophage polarization in aseptic bone resorption around dental implants induced by Ti particles in a murine model[J]. J Periodontal Res， 2019， 54(4): 329-338. doi:10.1111/jre.12633.

[6]Ogle ME， Segar CE， Sridhar S， et al. Monocytes and macrophages in tissue repair: implications for immunoregenerative biomaterial design[J]. Exp Biol Med (Maywood)， 2016， 241(10): 1084-1097.doi:10.1177/1535370216650293.

[7]Ceciliani F， ávila MG， De Matteis G， et al. Methods in isolation and characterization of bovine monocytes and macrophages[J].Methods，2021，186:22-41.doi:10.1016/j.ymeth.2020.06.017.

[8]Chu C， Liu L， Rung S， et al. Modulation of foreign body reaction and macrophage phenotypes concerning microenvironment[J]. J Biomed Mater Res A， 2020， 108(1): 127-135. doi: 10.1002/jbm.a.36798.

[9]Ormsby RT，Solomon LB，Yang D，et al.Osteocytes respond to particles of clinically-relevant conventional and cross-linked polyethylene and metal alloys by up-regulation of resorptive and inflammatory pathways[J]. Acta Biomater， 2019， 87: 296 - 306. doi:10.1016/j.actbio.2019.01.047.

[10] Luo JS， Guo S， Lu YJ， et al. Cytocompatibility of Cu-bearing Ti6Al4V alloys manufactured by selective laser melting[J]. Mater Charact， 2017(143): 127 - 136. doi: 10.1016/j.matchar.2017.12.003.

[11] Peng C， Liu Y， Liu H， et al. Optimization of annealing treatment and comprehensive properties of Cu-containing Ti6Al4V-xCu alloys[J]. J Mater Sci Technol， 2019， 35(10): 2121-2131. doi:10.1016/j.jmst.2019.05.020.

[12] Liu Y， Zhao H， Wang Y， et al. Arsenic (III) and/or Copper (II) induces oxidative stress in chicken brain and subsequent effects on mitochondrial homeostasis and autophagy[J]. J Inorg Biochem，2020，211:111201.doi:10.1016/j.jinorgbio.2020.111201.

[13] Liu J，Zhang J，Ren L，et al.Fine particulate matters induce apoptosis via the ATM/P53/CDK2 and mitochondria apoptosis pathway triggered by oxidative stress in rat and GC-2spd cell[J].Ecotoxicol Environ Saf， 2019， 180: 280-287. doi: 10.1016/j.ecoenv.2019.05.013.

[14] Lv RM， Du KK， Liu QQ， et al. Nano iron-copper alloys for tumor ablation: efficiently amplified oxidative stress through acid response[J].New J Chem，2020，44(34):14438-14446.doi:10.1039/d0nj02554b.

[15] Zhang J，Duan D，Xu J，et al.redox-dependent copper carrier promotes cellular copper uptake and oxidative stress-mediated apoptosis of cancer cells[J]. ACS Appl Mater Interfaces， 2018， 10(39):33010-33021.doi:10.1021/acsami.8b11061.

[16] Liu H， Lai W， Liu X， et al. Exposure to Copper oxide nanoparticles triggers oxidative stress and endoplasmic reticulum (ER)-stress induced toxicology and apoptosis in male rat liver and BRL-3A cell[J]. J Hazard Mater， 2021， 401: 123349. doi: 10.1016/j.jhazmat.2020.123349.

[17] Wan F， Zhong G， Ning Z， et al. Long-term exposure to Copper induces autophagy and apoptosis through oxidative stress in rat kidneys[J]. Ecotoxicol Environ Saf， 2020， 190: 110158. doi: 10.1016/j.ecoenv.2019.110158.

[18] Huang Q， Ouyang Z， Tan Y， et al. Activating macrophages for enhanced osteogenic and bactericidal performance by Cu ion release from micro/nano-topographical coating on a Titanium substrate[J].Acta Biomater， 2019， 100: 415 - 426. doi: 10.1016/j.actbio.2019.09.030.

[19] Wang D， Zong C， Cheng K. Chicken thalamic injury induced by Copper(II)or/and arsenite exposure involves oxidative stress and inflammation-induced apoptosis[J]. Ecotoxicol Environ Saf， 2020，197:110554.doi:10.1016/j.ecoenv.2020.110554.

[20] Oliveri V. Biomedical applications of copper ionophores[J]. Coord Chem Rev，2020，422:213474.doi:10.1016/j.ccr.2020.213474.

[21] Xu X，Lu Y，Li S，et al.Copper-modified Ti6Al4V alloy fabricated by selective laser melting with pro-angiogenic and anti-inflammatory properties for potential guided bone regeneration applications[J]. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl， 2018， 90: 198-210. doi:10.1016/j.msec.2018.04.046.

[22] Hoene A， Prinz C， Walschus U， et al.

evaluation of Copper release and acute local tissue reactions after implantation of coppercoated Titanium implants in rats[J]. Biomed Mater， 2013， 8(3):035009.doi:10.1088/1748-6041/8/3/035009.

[23] Walschus U， Hoene A， Patrzyk M， et al. A Cell-Adhesive plasma polymerized allylamine coating reduces the

inflammatory response induced by Ti6Al4V modified with plasma immersion ion implantation of Copper[J]. J Funct Biomater， 2017， 8(3): 30.doi:10.3390/jfb8030030.

[24] Huang Q，Li X，Elkhooly TA，et al.The Cu-containing TiO(2)coatings with modulatory effects on macrophage polarization and bactericidal capacity prepared by micro-arc oxidation on Titanium substrates[J]. Colloids Surf B Biointerfaces， 2018， 170: 242-250. doi:10.1016/j.colsurfb.2018.06.020.

[25] Chen L，Wang D，Qiu J，et al.Synergistic effects of immunoregulation and osteoinduction of ds-block elements on Titanium surface[J]. Bioact Mater， 2021， 6(1): 191-207. doi: 10.1016/j.bioactmat.2020.08.001.

[26] Li JL，Ling Q，Ke Y，et al.Materials evolution of bone plates for internal fixation of bone fractures: a review[J]. J Mater Sci Technol，2020(1):190-208.doi:10.1016/j.jmst.2019.07.024.