四川大学邓怡/杨为中/白丁团队 Small：“醚”人的双引擎抗菌植入体 - 生物异质结工程化的聚醚醚酮用于感染性糖尿病骨整合

2022-09-12 来源：高分子科技

糖尿病感染微环境（diabetic infectious micromilieu，DIM）存在两大特点：由糖尿病导致的局部高葡萄糖水平、由感染导致的局部微酸性。这两大特性都会导致骨代谢受影响、骨整合受到抑制，从而增加糖尿病患者植入体失败的几率、术后并发症的风险。针对DIM这两个特点，有必要设计一种植入体表面改性的方式，将弊端转换为抗菌、成骨的引擎动力，加强糖尿病感染微环境下的植入体骨整合效率。

近日，四川大学邓怡、杨为中团队在前期多功能“醚”人医用特种植入体的基础上（Adv. Sci., 2021, 8: 2101778; Chem. Eng. J., 2021, 422: 130094; Chem. Eng. J., 2022, 446: 137453），与华西口腔医学院白丁团队共同开发了“糖尿病感染微环境双引擎”的植入体表面改性方法，将硫化铜（CuS）、氧化石墨烯（GO）生物异质结（CuS/GO）和葡萄糖氧化酶（GOx）用于聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）植入体的表面改性（SP-Cu/G@GOx），用于 DIM 下的抗菌能力和促进植入体的骨整合。

在局部高血糖的微环境下，GOx能将葡萄糖分解为过氧化氢（H₂O₂）；在感染的微酸性环境下，异质结通过类芬顿反应将产生的过氧化氢转化为强杀菌的羟基自由基（·OH），由此组成了针对DIM的动力双引擎。此外，在光照条件下，异质结产生的光热（PTT）和光动力（PDT）效应进一步增强抗菌效果；而铜离子和GO自身的成骨相容性在杀菌后发挥促进骨整合的生物学效应，最终实现了糖尿病感染微环境下成骨性能的提升（图1）。

图1

作者通过水热反应成功制备了CuS/GO生物异质结，并通过扫描电镜、透射电镜、XRD、拉曼光谱等手段证实其成功制备。与单纯的硫化铜相比，生物异质结的形貌更加丰富，而异质结的形成加强了GO与CuS之间的电荷转移，有效提高了光电子的生成（图2）。

图2

稳定的光热和光动力效应是抗菌的环节之一，葡萄糖氧化酶和异质结介导的双引擎更是抗菌的重中之重。通过一系列的光热和光动力检测，作者发现SP-Cu/G@GOx具有稳定的光热性能，并且能够持续、有效地产生单线态氧、羟基自由基等具有强抗菌作用的ROS（图3）。

图3

接着，作者通过一系列的抗菌实验证实SP-Cu/G@GOx的抗菌作用。这些结果表明，在生物异质结的存在使得PEEK植入体的抗菌性能得到大幅度提升，而在加入GOx后，对细菌的杀伤能力进一步增强。在非光照的条件下，SP-Cu/G@GOx植入体的抗菌能力是最强的；在施加光照后，由于光热和光动力的效应，抗菌性能进一步提升（图4）。

图4

在初步验证材料的细胞相容性后，作者利用大鼠构建了糖尿病感染的骨缺损模型，探究工程化的植入体在体内的骨整合能力。在完成模型建立、植入手术及治疗后，进行了长达8周的观察，在期间记录伤口感染情况和骨整合情况。通过micro-CT等一系列的观察手段，作者观察到SP-Cu/G@GOx在体内优异的抗菌作用和成骨效应，工程化植入体周围形成大量、致密的新生骨（图5）。这种糖尿病感染微环境响应的双引擎策略将有助于在未来临床中对糖尿病患者、感染患者乃至糖尿病骨感染患者的治疗提供帮助和思路。

图5

相关工作以“Bioheterojunction-Engineered Polyetheretherketone Implants With Diabetic Infectious Micromilieu Twin-Engine Powered Disinfection for Boosted Osteogenicity”为题发表在国际顶级期刊《Small》上。邓怡、杨为中为共同通讯作者，四川大学华西口腔医学院李彬硕士研究生、舒睿副教授为文章的共同第一作者。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202203619

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（责任编辑：xu）

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