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背景介绍

糖尿病相关的高血糖状态会显著重塑口腔微环境，加剧生物膜驱动的炎症反应，增加牙周炎等口腔疾病风险，并影响正畸治疗的安全性与疗效。传统镍钛（NiTi）合金牙弓线虽具有超弹性和形状记忆功能，但其固有抗菌性能不足，限制了其在糖尿病患者中的应用。铜（Cu）作为人体必需微量元素，具备广谱抗菌活性，但如何实现其在口腔环境中的持续可控释放，同时保持合金的力学性能和生物相容性，仍是一大挑战。

研究思路

针对上述挑战，温州大学孙达教授、重庆大学王贵学教授、中国科学院理化技术研究所陈金平研究员与中国科学院金属研究所任玲研究员联合团队提出了一种热处理方法，对添加5%铜的镍钛合金（NiTi-5Cu）进行固溶-水淬-时效处理（AH处理），诱导合金近表面铜富集及更均匀的电化学活性，从而实现持续铜释放。团队系统表征了合金的理化性质，评估了其细胞相容性、血液相容性、抗菌抗生物膜活性，并在2型糖尿病牙周炎大鼠模型中验证了体内疗效。结果表明，AH处理后的NiTi-5Cu合金兼具抗菌与牙周保护潜力，为糖尿病口腔护理提供了新型金属生物材料策略。相关内容以 Heat-Treatment-Programmed NiTi-5Cu (AH) Bioactive Orthodontic Alloy Enables Cu Release for Antibiofilm and Periodontal Protection in Diabetic Oral Microenvironment 发表在 Biomaterials！

图片解析

图1. 合金表征： (a-c) SEM/EDS及TEM显示AH处理使近表面Cu含量从4.03%升至7.59%；(d) XRD证实所有合金为B2奥氏体相；(e) 应力-应变曲线显示Cu增加刚度但保持可恢复性；(f) 硬度测试显示Cu添加后硬度降低；(g) 极化曲线表明AH处理提高了电化学活性；(h-i) EIS显示NiTi-5Cu (AH)具有最小容抗弧和最低阻抗，腐蚀活性最高；(j) 等效电路图；(k) 接触角测试显示AH处理在非极性溶剂中接触角更大，利于减少细菌初始粘附。

图2. 生物相容性： (a) 评估示意图；(b-c) 健康及T2DM兔血溶血试验显示AH组与阴性对照相当；(d) CCK-8显示HOECs、HUVECs和RAW264.7细胞活力无显著差异；(e-g) EdU染色表明AH不影响细胞增殖；(h) 成鱼行为学正常；(i) 斑马鱼胚胎发育无畸形；(j-k) 中性粒细胞荧光和ROS水平均无显著差异，证明AH合金生物安全性良好。

图3. 抗菌性能： (a) 抗菌实验概述；(b) 菌落平板显示AH组大肠杆菌、金葡菌和变形链球菌显著减少；(c) SEM观察AH表面细菌极少；(d) 溶液中活/死染色显示AH组死菌（红色）增多；(e-f) 生物膜CLSM及厚度统计表明AH显著抑制生物膜形成，抗生物膜率随时间持续升高。

图4. 牙周保护作用： (a) T2DM牙周炎大鼠治疗流程；(b) micro-CT 2D/3D图像显示AH组牙槽骨保留更好；(c-f) BMD、BV/TV、Tb.Th和CEJ-ABC定量分析证实AH显著减轻骨丢失；(g) H&E染色示AH组炎性浸润减少；(h) TRAP染色示AH组破骨细胞（红色）数量显著降低，表明抑制牙周组织破坏。

图5. 口腔微生物群调节： (a) 门水平热图显示AH重塑菌群结构；(b) 属水平分析示AH组乳球菌减少，Rothia、不动杆菌等增加；(c) Venn图显示共享与特有OTU；(d) PCoA/NMDS示AH组向健康组偏移；(e) α多样性指数（Shannon等）在AH组呈恢复趋势；(f) LEFSe分析鉴定各组优势菌，表明AH部分逆转糖尿病相关菌群失调。

图6. 作用机制模型： AH处理使NiTi-5Cu在高糖环境下持续释放Cu²⁺，一方面直接破坏细菌膜、产生活性氧导致菌死亡；另一方面维持上皮/内皮细胞活性，促进巨噬细胞向M2型极化，减少TNF-α、IL-1β、IL-6等炎性因子，从而在糖尿病牙周炎中发挥抗炎、抗骨吸收和保护牙周组织的综合效应。

结论

本研究成功开发了热处理编程的NiTi-5Cu生物活性正畸合金，通过近表面铜富集与均匀电化学活性，实现高糖口腔环境下的持续铜释放，兼具抗生物膜、细胞相容性和免疫调节功能，在糖尿病牙周炎模型中有效减轻炎症和牙槽骨丢失。该工作为高风险口腔微环境设计多功能金属生物材料提供了新策略。

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