镍钛合金材料表面等离子体氮化的抗菌作用

为深入贯彻落实《全民科学素质行动规划纲要（2021-2035）》，响应公众对生物医用材料的表面生物功能化领域的认知需求，中国生物材料学会生物材料表界面工程分会联合宁波华甫医疗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。

今日带来的是“材料的表面生物功能化系列科普”第二期《镍钛合金材料表面等离子体氮化的抗菌作用》，欢迎关注！

镍钛合金，这位医用材料界的明星，因其独特的形状记忆效应、超弹性和生物相容性，在口腔正畸牙套、心血管治疗等领域大放异彩。然而，就像任何英雄都有弱点，镍钛合金在口腔这个多菌的战场和长期植介入的挑战下，面临着细菌感染的威胁。为战胜这个弱点，科学家们放出了大招——提升镍钛合金的抗菌性能。这是如何实现的呢？

答案是：生物医用材料的表面改性技术。

镍钛合金里的镍元素，就像一个隐形的抗菌卫士，可以被科学家转化为具有强大抗菌能力的Ni3N薄膜。

科学家们运用高真空环境下的等离子体浸没离子注入技术，就像用氮气“激光”在镍钛合金上刻蚀，让氮离子与镍元素碰撞结合，形成了一层超级防护的Ni3N薄膜。这过程中，氮离子犹如小小的炮弹击穿材料的表面，露出镍元素，并与之结合，铸就了抗菌利器。

实验证明，这层薄膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀伤力高达99%以上。它是如何做到的？简单来说，Ni3N薄膜既能扰乱细菌的代谢，又能破坏细菌的内部结构，让细菌无处可逃。

Ni3N的抗菌魔法首先在于它的“能量剥夺术”：它能像磁铁一样吸引质子H+，在材料表面创造一个质子贫瘠区。这样一来，依附在表面的细菌就像被拔掉了能量的插头，无法制造出生命的动力源——ATP。没有能量，细菌自然无力兴风作浪。

不仅如此，能量断供还引发了细菌内部的“自由基风暴”。细菌内活性氧（ROS）积累，就像是一群不受控制的破坏分子，它们横冲直撞，干扰细菌的正常生理活动，让细菌难以维持生命活动。

Ni3N的抗菌第二招是**“内部爆破术”：当Ni-N键与质子相遇，会触发化学反应，产生氮氢化合物NHx。这些NHx与细菌内部的活性氧ROS一拍即合，接着在细菌体内引发一系列连锁反应，最终变身为破坏力十足的活性氮RNS分子**。

这些小分子就像微型的爆破专家，它们在细菌的细胞膜、DNA和蛋白质等重要部位展开破坏行动，引发内部混乱，最终导致细菌崩溃死亡。

镍钛合金经过这样的表面功能化处理，就像披上了抗菌战袍，展现了其神奇的力量，是不是让人惊叹？！

参考文献：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.