由于全球人口老龄化和医疗保健意识的提高，骨科疾病的全球上升导致对骨科植入物的需求持续增长。然而，在确保骨科植入物在临床治疗中的有效性仍存在几个挑战。诸如早期细菌感染、免疫排斥、炎症反应和骨整合松动等并发症可能导致骨科植入物过早失效、延迟愈合和不愈合，以及局部功能障碍或骨组织损伤。然而，在植入物表面同时实现抗菌，调控成骨免疫微环境和促成骨的研究还非常少见。

　　在本研究中，考虑到细菌、骨细胞和免疫细胞的独特微环境和生物机制，研究者旨在开发一种生物安全表面，当与特定细菌或细胞在它们独特的微环境中相互作用时表现出特定的生物医学功能。基于此，香港大学深圳医院杨伟国（Kelvin W.K. Yeung）教授和张冬冬助理研究员（博士后）等人介绍了一种新的骨科植入物表面设计—氢化钯（PdH_x）薄膜，使这两种不同的特征能够共存。PdH_x晶格捕获细菌细胞外微环境中的质子，破坏它们的正常代谢活动，如ATP合成、营养共转运和氧化应激。此外，PdH_x独特的酶活性和载氢特性激活了人体抗氧化系统，导致活性氧（ROS）的快速清除。这一过程重塑了成骨免疫微环境，促进了成骨加速作用。该研究结果还表明，NOD样受体信号通路的下调对于激活免疫细胞走向M2表型极化至关重要。这种新颖的表面设计为修饰植入物涂层提供了新的策略，以同时防止细菌感染、减少炎症和增强成骨整合能力。

　　2024年5月17日，相关工作以“Novel palladium hydride surface enabling simultaneous bacterial killing and osteogenic formation through proton capturing and activation of antioxidant system in immune microenvironments”为题发表在国际顶级期刊Advanced Materials （IF=29.4）。

 【文章要点】

　　许多研究已经发现，钯（Pd）原子可以很容易地与氢原子结合，使Pd纳米晶体在室温下储存质子（形成PdH_x）并通过其晶格释放氢气（H₂）。为了维持质子浓度梯度，细菌需要将细胞内质子转移到细胞外空间。因此，研究者提出，Pd原子的5s电子层可以用来共轭质子，将它们吸引到PdH_x晶格中，并在细菌膜外的微环境中有效地消耗它们。这个过程会破坏细菌的呼吸，最终导致细菌死亡。同时，纳米构造的PdH_x具有类似于天然酶的多种抗氧化酶活性。此外，PdH_x释放的H₂作为内源性气体和抗氧化剂发挥重要的生理和病理调节功能，对各种疾病具有显著的治疗作用，如动脉粥样硬化、阿尔茨海默病、关节炎、皮炎、结肠炎、肝炎和胰腺炎。因此，作者认为PdH_x独特的酶活性和载氢特性有效地发挥了基于生物材料的抗氧化系统的作用，导致ROS的快速清除，并促进巨噬细胞向抗炎M2型的转化（图1）。

                                      图1. PdH_x薄膜的抗菌及成骨机制示意图

　　为此，研究者通过在室温下在H₂气流下采用离子溅射和浸渍处理来进行定制PdH_x膜改性钛（Ti）植入物。作者使用转录组测序和细胞内分子测定法检测了PdH_x膜对细菌、巨噬细胞和骨相关细胞的生物学效应。细菌转录组分析显示，细菌内部氧化应激增加，而ATP合成和营养运输活性受到抑制，这表明氧化损伤、能量产生功能障碍和营养缺乏是PdH_x薄膜的主要抗菌机制。此外，PdH_x膜可以通过酶催化和H₂释放在细胞外和细胞内调节ROS，从而重塑成骨免疫微环境，增强成骨能力。BMDMs的转录组测序分析表明，NOD样受体信号通路的下调在激活免疫细胞进行M2表型极化从而促进骨组织修复中起着至关重要的作用。

　　骨科医学中心助理研究员（博士后）张冬冬为论文第一作者，博士后合作导师杨伟国（Kelvin W.K. Yeung）教授为该论文的通讯作者，香港大学深圳医院为该工作的第一单位。该研究成果以我院博士后为第一作者，我院为第一单位在国际顶刊Advanced Materials发表，反映了近年来医院在基础研究和博士后培养质量的提高，有效提升了医院在医学研究上的综合影响力。