針對上述問題，西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗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子動力，減少了細菌ATP的合成，降低了細菌膜模量，細菌胞膜在“納米劍”作用下發生扭曲甚至被刺穿，導致胞內物質泄漏。同時，由于細菌膜通透性增加，細菌攝入了過多的鐵離子，出現胞內鐵富集、脂質過氧化和谷胱甘肽耗竭等鐵死亡現象。重要的是，由于細菌、細胞對微環境響應存在差異性，“納米劍”在有效清除種植體表面入侵細菌的同時，改善了成骨細胞響應及骨整合，在臨床感染種植體的治療中具有廣闊的應用前景。相關成果以“Alkaline Nanoswords Coordinate Ferroptosis-like Bacterial Death for Antibiosis and Osseointegration”為題發表在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）與鐵死亡相關的差異基因表達，和（f）形貌；（g）MTT法檢測試樣表面培養1、3、7天的成骨細胞活力；（h）試樣表面培養7、14天后成骨細胞ALP、RUNX2、OPN、OCN、Col-1和BMP2的表達;（i）試樣植入大鼠松質骨內6周后Micro-CT圖像及VG染色結果。*: p < 0.05和**: p < 0.01與Ti相比；#: p < 0.05和##: p < 0.01與MA相比。

針對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）對多種抗生素具有耐藥性，嚴重威脅人類健康這個問題，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菌膜的通透性，加速了銅離子的攝入，導致了細菌的二氫脂酰胺s-乙酰轉鐵酶聚集、谷胱甘肽過氧化物4失活以及鐵氧還蛋白和脂酰合成酶的不穩定等，引發了包括 MRSA、大腸桿菌和金黃色葡萄球菌在內的細菌發生銅死亡。在近紅外照射下，成纖維細胞響應有所上調，種植體表面軟組織整合有所改善，這種多功能涂層復合光熱的治療策略在提高PEEK臨床性能方面具有很大的應用前景。相關成果以“Low-Dose Cu Ions Assisted by Mild Thermal Stimulus Inducing Bacterial Cuproptosis-Like Death for Antibiosis and Biointegration”為題發表在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；試樣表面培養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）與銅死亡相關的差異基因表達，（f）與銅轉運、銅死亡相關的差異基因表達；（g）Alamar Blue法檢測試樣表面培養1、3、7天的成纖維細胞活力；（h）試樣表面培養7天后成纖維細胞CTGF、α-SMA和Col-1的表達;（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