針對(duì)上述問(wèn)題，西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員在鈦種植體表面制備了鐵摻雜的硅酸鈦鈣“納米劍”，在聚醚醚酮（PEEK）表面制備了銅摻雜的羥基磷灰石“納米棒”。研究表明，“納米劍”的降解引起局部pH值升高，削弱了金黃色葡萄球菌的質(zhì)子動(dòng)力，減少了細(xì)菌ATP的合成，降低了細(xì)菌膜模量，細(xì)菌胞膜在“納米劍”作用下發(fā)生扭曲甚至被刺穿，導(dǎo)致胞內(nèi)物質(zhì)泄漏。同時(shí)，由于細(xì)菌膜通透性增加，細(xì)菌攝入了過(guò)多的鐵離子，出現(xiàn)胞內(nèi)鐵富集、脂質(zhì)過(guò)氧化和谷胱甘肽耗竭等鐵死亡現(xiàn)象。重要的是，由于細(xì)菌、細(xì)胞對(duì)微環(huán)境響應(yīng)存在差異性，“納米劍”在有效清除種植體表面入侵細(xì)菌的同時(shí)，改善了成骨細(xì)胞響應(yīng)及骨整合，在臨床感染種植體的治療中具有廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)成果以“Alkaline Nanoswords Coordinate Ferroptosis-like Bacterial Death for Antibiosis and Osseointegration”為題發(fā)表在ACS Nano雜志上。

圖1. 鈦種植體表面鐵摻雜硅酸鈦鈣“納米劍”的制備流程圖及其抗菌與骨整合

圖2. （a）“納米劍”的SEM形貌和（b）TEM形貌；試樣表面培養(yǎng)1天后金黃色葡萄球菌的（c）ATP合成量，（d）胞膜通透性，（e）與鐵死亡相關(guān)的差異基因表達(dá)，和（f）形貌；（g）MTT法檢測(cè)試樣表面培養(yǎng)1、3、7天的成骨細(xì)胞活力；（h）試樣表面培養(yǎng)7、14天后成骨細(xì)胞ALP、RUNX2、OPN、OCN、Col-1和BMP2的表達(dá);（i）試樣植入大鼠松質(zhì)骨內(nèi)6周后Micro-CT圖像及VG染色結(jié)果。*: p < 0.05和**: p < 0.01與Ti相比；#: p < 0.05和##: p < 0.01與MA相比。

針對(duì)耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）對(duì)多種抗生素具有耐藥性，嚴(yán)重威脅人類健康這個(gè)問(wèn)題，研究人員探究了近紅外照射下銅摻雜羥基磷灰石“納米棒”的抗感染，提高組織整合的性能。研究表明，溫和的光熱刺激增加了細(xì)菌膜的通透性，加速了銅離子的攝入，導(dǎo)致了細(xì)菌的二氫脂酰胺s-乙酰轉(zhuǎn)鐵酶聚集、谷胱甘肽過(guò)氧化物4失活以及鐵氧還蛋白和脂酰合成酶的不穩(wěn)定等，引發(fā)了包括 MRSA、大腸桿菌和金黃色葡萄球菌在內(nèi)的細(xì)菌發(fā)生銅死亡。在近紅外照射下，成纖維細(xì)胞響應(yīng)有所上調(diào)，種植體表面軟組織整合有所改善，這種多功能涂層復(fù)合光熱的治療策略在提高PEEK臨床性能方面具有很大的應(yīng)用前景。相關(guān)成果以“Low-Dose Cu Ions Assisted by Mild Thermal Stimulus Inducing Bacterial Cuproptosis-Like Death for Antibiosis and Biointegration”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials雜志上。

圖3. 聚醚醚酮表面銅摻雜羥基磷灰石“納米棒”的制備及其抗菌與軟組織整合

圖4. （a）“納米棒”的SEM形貌；（b）試樣的光熱響應(yīng)；試樣表面培養(yǎng)1天后耐甲氧西林金黃色葡萄球菌的（c）抗菌率，（d）胞膜通透性，（e）與銅死亡相關(guān)的差異基因表達(dá)，（f）與銅轉(zhuǎn)運(yùn)、銅死亡相關(guān)的差異基因表達(dá)；（g）Alamar Blue法檢測(cè)試樣表面培養(yǎng)1、3、7天的成纖維細(xì)胞活力；（h）試樣表面培養(yǎng)7天后成纖維細(xì)胞CTGF、α-SMA和Col-1的表達(dá);（i）試樣植入大鼠皮下7天后H&E和Masson’s trichrome staining圖像。*: p < 0.05和**: p < 0.01與P相比；#: p < 0.05和##: p < 0.01與PC相比。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c10960

https://doi.org/10.1002/adfm.202308197