巴斯大学开发出具有抗菌性的3D打印铁电材料，可用作医疗植入物

导读：自数百万年前，诸如细菌、病毒、真菌、藻类和许多其他生物在内的微生物就开始存在于这个星球，它们对人类生活的几乎每个领域都产生了非同寻常的影响，无论是有益的还是有害的。例如，它们会引起严重的感染性疾病，败血症就是其中之一。这些微生物一旦出现在用于人体的医疗植入物上，那将是毁灭性的灾难。然而，这些生物材料表面的污染总是难以避免的，这除了会对患者构成重大健康风险外，还会给医疗保健系统带来巨额的损失。因此，发现新的可持续、无毒的方法以防止生物植入物表面微生物污染具有重要意义。

2023年4月8日，南极熊获悉，来自巴斯大学与阿尔斯特大学的工程师展开合作，他们通过使用新型多材料3D 打印首次成功地创造了一种具有抗菌特性的新型铁电复合材料，在医疗植入物应用上展现出巨大潜力。

这项研究以题为“Additively ManufacturedFerroelectric Particulate Composites for Antimicrobial Applications/用于抗菌应用的增材制造铁电颗粒复合材料”论文被发表在《Advanced Materials Technologies》期刊上。

相关论文链接：https://doi.org/10.1002/admt.202202127

据巴斯大学的工程师们表示，电响应铁电材料的使用赋予了植入物抗感染的特性，使其成为生物医学应用的理想选择，例如心脏瓣膜、支架和骨植入物，它们可以降低患者感染的风险。

虽然植入物的使用在临床上很常见，但所有生物医学植入物都会带来一定程度的风险，因为材料可能携带可导致组织感染的表面生物污染物。

研究团队此前曾使用这种 3D 打印技术来制造用于骨组织工程的三维支架。巴斯大学机械工程系材料与结构讲师 Hamideh Khanbareh 博士是该研究的主要作者，他表示这项研究具有广泛的应用范围。

△新型铁电复合材料杀消除细菌的图像。资料来源：巴斯大学

Khanbareh 博士说：“新型铁电复合材料可以用来制作对抗感染或大肠杆菌等危险细菌的生物医学植入物，它可以为患者和医疗保健提供者带来明显的好处。我们的研究表明，我们创造的铁电复合材料具有作为抗菌材料和表面的巨大潜力。这是一个可能改变游戏规则的发展，我们希望通过与医学研究人员或医疗保健提供者的合作进一步发展。”

这项创新归功于新型铁电材料的电响应特性，这是某些极性材料的一种特性，可以响应机械能或温度的变化产生表面电荷。在铁电薄膜和植入物中，这种电荷可以导致一种被称为活性氧 (ROS) 的自由基的形成，它可以选择性地根除细菌。这是通过水分子在极化铁电复合材料表面的微电解实现的。

该研究中的铁电复合材料就是利用这种现象发挥作用的，它是通过将铁电体锆钛酸钙钡(BCZT) 微粒嵌入聚己内酯 (PCL) 中制成的，聚己内酯是一种广泛用于生物医学应用的可生物降解聚合物。然后将铁电颗粒和聚合物的混合物送入 3D 生物打印机，以创建特定的多孔“支架”形状，设计出具有高表面积的结构以促进 ROS 形成。

△ a) 合成的 BCZT 粉末的 SEM 显微照片和粒度分析。b) 合成的 BCZT 粉末的 XRD 光谱。

最终的测试结果表明，即使被高浓度的侵略性大肠杆菌污染，复合材料也可以在没有外部干预的情况下完全根除细菌细胞——仅需 15 分钟即可杀死 70%的细菌。

△偏振3D 打印压电颗粒 PCL-BCZT 复合材料可能的选择性抗菌机制示意图。