植入体相关感染主要是由细菌污染植入体表面所引起的，这不仅会造成植入手术失败，而且伴随的高致病率和高死亡率也会给患者带来极大痛苦。尽管抗生素作为一种对抗细菌感染的有效手段，但在消灭入侵细菌的同时会不可避免地诱发细菌耐药性，为患者带来严重后果。相对于单纯构建植入体抗菌表面，当前研究更倾向于建立一种能够快速整合组织的植入体表面。根据Gristina教授提出的“表面竞争”（Race for the surface）理论，诱导细胞在植入体表面发生粘附与增殖，能够有效降低细菌在表面竞争性粘附与繁殖的机率，是增强植入表面的抗感染能力的另一种有效途径。基于这一理论，如何使细胞在植入体表面竞争中占据优势是解决植入体相关问题的关键。近期，有研究者发现蝉翼启发的纳米结构表面具有优异的结构杀菌性能。不同于传统杀菌剂的杀菌原理，这种纳米结构杀菌表面是一种基于纯物理杀菌的方式：具有一定长径比的纳米结构，对粘附在结构顶部、试图寻求最大化粘附面积的细菌细胞施加一定的非特异性力，当施加的力大于细菌细胞壁（细胞膜）所能承受范围时，细菌细胞会破裂而亡。同时，由于细菌和哺乳动物细胞的体积大小和细胞壁（细胞膜）组成上存在的差异性，纳米结构表面杀死细菌的同时又不会对正常的哺乳动物细胞产生损伤。这一现象为研究者解决植入体所面临的问题提供了新的思路。
基于此，吉林大学任露泉院士团队通过在蝉翼启发的纳米结构上原位组装抑菌剂3,3‘-二氨基二丙胺（DADP）掺杂的沸石咪唑骨架-8（ZIF-8）纳米粒子，制备出一种自适应表面。除了优异的机械杀菌性能外，该表面利用ZIF-8在酸性条件下自分解的特性释放出抑菌小分子DADP，有效避免了细菌尸体堆积为机械杀菌性带来的不良影响。随后，利用仿生纳米结构表面的选择性杀灭效果，该表面在植入后期能够自发地从抗菌模式转化为促细胞粘附增殖模式，使组织细胞在表面竞争过程中占据优势。此策略有效地解决了生物材料植入体在植入初期容易引发的细菌感染以及植入后期的组织整合问题。该研究以题为“Bio-Inspired Self-Adaptive Nanocomposite Array: From Non-Antibiotic Antibacterial Actions to Cell Proliferation”的论文发表在最新一期《ACS Nano》上。
【制备及表征】
首先利用热压印的方法制备了聚碳酸酯基的仿生纳米结构表面，随后通过聚多巴胺（PDA）的修饰来改善ZIF-8与聚碳酸酯之间较差的结合性。从SEM结果可以看出未经修饰的纳米结构表面呈规整的阵列结构，与蝉翼表面高度相似。经负载DADP的ZIF-8纳米粒子（D@ZIF）修饰后的表面变得更为粗糙，经测量分析后发现，仿生纳米复合阵列中纳米柱的柱高，柱宽以及柱间距均发生一定变化。同时，由于PDA表面富含氨基与羟基，使得锌离子能够与其进行螯合，利于D@ZIF在纳米结构表面的成核，使D@ZIF得以在表面均匀分布。
图1. 仿生纳米复合阵列的制备路径及其作用机理
图2. 仿生纳米复合阵列形貌
随后，研究者对该表面DADP的负载及酸响应释放行为进行了探究。利用紫外-可见光吸收光谱测试证明了DADP的成功负载。同时，在pH7.4（中性）及pH5.5（酸性）条件下的测试发现仿生纳米复合阵列具有酸响应释放行为，即pH5.5条件下在前2-3小时可实现药物的快速释放。
图3. 仿生纳米复合阵列表征及酸响应释放性
【仿生纳米复合阵列的抗菌性】
经研究者探究发现，仿生纳米复合阵列的抗菌作用分为三个阶段：（1）在正常生理条件下，即对应于细菌入侵的初始阶段，机械杀菌起主导作用，细菌在接触到仿生纳米复合阵列后被撕裂从而死亡。（2）随着细菌的繁殖，酸化的代谢微环境会触发D@ZIF纳米粒子的分解，从而释放出内置的DADP分子。（3）释放的DADP有效抑制了细菌在表面的进一步繁殖，同时在机械杀菌和DADP的结合下使得该表面具有较高的杀菌活性。实验结果证明所制备的仿生纳米复合阵列能够有效对抗植入初期的细菌感染。
图4.仿生纳米复合阵列的抗菌性能
【仿生纳米复合阵列的促细胞增殖性】
除了需具备优异的抗菌性能外，植入体在植入后期需要优异的组织整合能力来避免异物反应。经研究者证实，在细菌代谢的微酸环境下表面的D@ZIF纳米粒子能够自行降解，随后暴露出经PDA修饰的纳米结构表面（DE-PDA/NP）。经体外细胞实验证明，DE-PDA/NP中的纳米结构不仅不会给哺乳动物细胞造成机械性损伤，相反，在纳米结构的机械刺激下能够进一步促进细胞在表面的粘附和增殖。与此同时，DE-PDA/NP依然保留有机械杀菌性能。
图5. D@ZIF降解后表面的细胞增殖情况
总结：作者通过热压印法和原位晶体生长的方法制备了一种能够前期杀菌，后期促进细胞粘附与增殖的植入体表面。在不引入任何抗生素的基础上，利用了蝉翼启发的纳米结构对细菌和细胞的不同作用，在同一表面实现了抗菌和组织整合双重功能。此研究为未来永久性植入体表面的设计提供了一种全新的，可供选择的思路。