鎳鈦合金材料表面等離子體氮化的抗菌作用

為深入貫徹落實《全民科學(xué)素質(zhì)行動規(guī)劃綱要（2021-2035）》，響應(yīng)公眾對生物醫(yī)用材料的表面生物功能化領(lǐng)域的認(rèn)知需求，中國生物材料學(xué)會生物材料表界面工程分會聯(lián)合寧波華甫醫(yī)療科技有限公司共同推出材料表面的功能化改性系列科普文章。

今日帶來的是“材料的表面生物功能化系列科普”第二期《鎳鈦合金材料表面等離子體氮化的抗菌作用》，歡迎關(guān)注！

鎳鈦合金，這位醫(yī)用材料界的明星，因其獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)、超彈性和生物相容性，在口腔正畸牙套、心血管治療等領(lǐng)域大放異彩。然而，就像任何英雄都有弱點，鎳鈦合金在口腔這個多菌的戰(zhàn)場和長期植介入的挑戰(zhàn)下，面臨著細(xì)菌感染的威脅。為戰(zhàn)勝這個弱點，科學(xué)家們放出了大招——提升鎳鈦合金的抗菌性能。這是如何實現(xiàn)的呢？

答案是：生物醫(yī)用材料的表面改性技術(shù)。

鎳鈦合金里的鎳元素，就像一個隱形的抗菌衛(wèi)士，可以被科學(xué)家轉(zhuǎn)化為具有強(qiáng)大抗菌能力的Ni3N薄膜。

科學(xué)家們運(yùn)用高真空環(huán)境下的等離子體浸沒離子注入技術(shù)，就像用氮?dú)狻凹す狻痹阪団伜辖鹕峡涛g，讓氮離子與鎳元素碰撞結(jié)合，形成了一層超級防護(hù)的Ni3N薄膜。這過程中，氮離子猶如小小的炮彈擊穿材料的表面，露出鎳元素，并與之結(jié)合，鑄就了抗菌利器。

實驗證明，這層薄膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺傷力高達(dá)99%以上。它是如何做到的？簡單來說，Ni3N薄膜既能擾亂細(xì)菌的代謝，又能破壞細(xì)菌的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，讓細(xì)菌無處可逃。

Ni3N的抗菌魔法首先在于它的“能量剝奪術(shù)”：它能像磁鐵一樣吸引質(zhì)子H+，在材料表面創(chuàng)造一個質(zhì)子貧瘠區(qū)。這樣一來，依附在表面的細(xì)菌就像被拔掉了能量的插頭，無法制造出生命的動力源——ATP。沒有能量，細(xì)菌自然無力興風(fēng)作浪。

不僅如此，能量斷供還引發(fā)了細(xì)菌內(nèi)部的“自由基風(fēng)暴”。細(xì)菌內(nèi)活性氧（ROS）積累，就像是一群不受控制的破壞分子，它們橫沖直撞，干擾細(xì)菌的正常生理活動，讓細(xì)菌難以維持生命活動。

Ni3N的抗菌第二招是**“內(nèi)部爆破術(shù)”：當(dāng)Ni-N鍵與質(zhì)子相遇，會觸發(fā)化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氮?dú)浠衔颪Hx。這些NHx與細(xì)菌內(nèi)部的活性氧ROS一拍即合，接著在細(xì)菌體內(nèi)引發(fā)一系列連鎖反應(yīng)，最終變身為破壞力十足的活性氮RNS分子**。

這些小分子就像微型的爆破專家，它們在細(xì)菌的細(xì)胞膜、DNA和蛋白質(zhì)等重要部位展開破壞行動，引發(fā)內(nèi)部混亂，最終導(dǎo)致細(xì)菌崩潰死亡。

鎳鈦合金經(jīng)過這樣的表面功能化處理，就像披上了抗菌戰(zhàn)袍，展現(xiàn)了其神奇的力量，是不是讓人驚嘆？！

參考文獻(xiàn)：Chao Wei, Haifeng Zhang, Ji Tan, Kui Xue, Zhuyu Hou, Rongxiang Ding, Xianming Zhang, Xuanyong Liu, Nickel nitride-mediated nitrix oxide generation for combating implant-associated infections, Chemical Engineering Journal, 2024, 490, 151566.