四川大学杨佼佼副研究员、李继遥教授 ACS AMI：因温制宜的植入体涂层 - 细胞膜热平衡机制减少热扩散助力抗菌与骨修复

2024-09-29 来源：高分子科技

植入物相关感染仍然是骨缺损治疗中的一个严重问题，传统界面抗菌修饰策略存在耐药性和生物安全风险等问题。近红外（NIR）辅助的光热疗法已被证明可以有效杀灭细菌，但受限于 NIR的低穿透性和热量在软组织中的快速扩散，导致光热疗法在治疗感染性骨缺损时面临植入体表面热量不足和软组织损伤的挑战。当前的解决方案集中于提高光热涂层的产热量，伴随而来的热扩散会加剧软组织灼伤风险。基于课题组前期在细胞膜基抗菌材料的基础（Advanced Materials，2024，2405953；Advanced Science，2024，2405764；Nano Today，2024，57，102390；Acta Biomaterialia，2024，293-306；Small，2024，2311967），尤其是受细胞膜独特的磷脂双分子层半透膜结构为胞内的热量调节提供了关键“枢纽”所启发，设计仿北极熊皮肤结构的高效光热细胞膜涂层（Materials Horizons，2024），但细胞膜如何提高热疗效率未能得到精准解析。

本研究利用天然细胞膜对热效应的精细调控，以聚单宁酸（pTA）作为胶水分子，将光热剂黑磷（BPNSs）负载至植入体表面，并在其外层修饰具有热量调控与稳定功能的红细胞膜（RBCM），构筑热增效的细胞膜基复合光热涂层TB-CM。该涂层可在植入体表面实现显著的热增效作用与稳定的光响应活性。细胞膜的低热传导特性与凝胶-液晶相变能力，是减少植入体表面热量流失，实现植入体表面光热增效的关键机制。体内外研究表明涂层具有优异的光热抗菌作用和促成骨效果，实现了高效、安全的感染性骨缺损修复。

本研究的创新性在于：1）首次提出减少局部热量损失提高热疗效率的策略，通过减少植入体表面热量流失，降低组织损伤风险来最终实现安全高效的热疗；2）首次将天然细胞膜用于光热治疗中的保温增效，并进一步以多酚作为桥梁，在植入体表面便捷构建自组装涂层；3）联合应用物理学、化学、材料科学和数学等学科的知识，全面分析和理解涂层的热力学行为与热力学性质。

Figure 1. 涂层的热增效性能表征。

Figure 2. 涂层的热增效机制研究。

Figure 3.体内抗菌性能评估。

Figure 4.体内修复骨缺损效果评估。

该工作以题为“Engineering Coatings Inspired by Cell Membrane Thermal Dynamics to Enhance Photothermal Therapy and Osteogenesis for Implant Infections”发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。文章第一作者为四川大学华西口腔医院2021级博士侯嫒琳和何利邦副教授，通讯作者为四川大学华西口腔医院的杨佼佼副研究员和李继遥教授。特别感谢四川大学生物治疗全国重点实验室周西坤研究员提供的实验必需的材料和四川大学李建树教授、程磊教授和罗珺副研究员的指导。本工作得到了国家自然科学基金、四川省科技厅项目、四川大学研究项目和华西口腔医院项目的资金支持。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.4c09978

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（责任编辑：xu）

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