近年來，隨著生活條件改善和人類壽命延長，由創(chuàng)傷、腫瘤、慢性炎癥和感染引起的骨疾病日益普遍，成為全球致殘的主要原因之一。臨床治療骨缺損時常面臨植入部位感染的挑戰(zhàn)，持續(xù)性炎癥和細(xì)菌生物膜形成不僅阻礙骨再生，還可能導(dǎo)致植入失敗，威脅患者健康。盡管抗生素負(fù)載植入物顯示出一定的抗菌潛力，但其存在耐藥性風(fēng)險、局部釋放難以持續(xù)、高濃度下的細(xì)胞毒性以及無法徹底清除生物膜等問題，限制了其應(yīng)用。因此，開發(fā)具有環(huán)境響應(yīng)性抗菌性能、可控降解和成骨-成血管協(xié)同作用的智能骨修復(fù)材料成為當(dāng)前的研究熱點。

受硅藻高效光捕獲和抗氧化機(jī)制的啟發(fā)，四川大學(xué)李建樹教授、丁春梅副教授、陳嵩教授合作開發(fā)了一種基于殼聚糖-羥基磷灰石的多功能骨修復(fù)支架CH/FeCu@SiO?。該支架通過集成銅摻雜鐵針鐵礦（Fe(Cu)OOH）納米顆粒和介孔SiO?保護(hù)層，實現(xiàn)了光熱性能穩(wěn)定與抗菌-成骨功能的協(xié)同作用。在近紅外光照射下，該系統(tǒng)可產(chǎn)生局部溫和高溫（約42°C），并釋放Cu2?實現(xiàn)高效抗菌（>99%）。同時，F(xiàn)e(Cu)OOH模擬酶抗氧化活性，清除活性氧（ROS），促進(jìn)M2型巨噬細(xì)胞極化，營造有利于骨再生的免疫微環(huán)境。此外，溫和熱療和離子釋放還可上調(diào)TGF-β信號通路、抑制破骨細(xì)胞分化，從而促進(jìn)血管化骨再生和缺損修復(fù)。相關(guān)論文以“Diatom-Inspired Scaffold for Infected Bone Defect Therapy: Achieving Stable Photothermal Properties and Coordinated Antibacterial-Osteogenic Functions”為題，發(fā)表在

Advanced Materials

示意圖1. CH/FeCu@SiO?的合成及其通過光熱效應(yīng)應(yīng)用于骨修復(fù)的示意圖 受硅藻啟發(fā)，SiO?包覆在支架表面提供保護(hù)，內(nèi)部的CH網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)并支撐具有能量轉(zhuǎn)換能力的Fe(Cu)OOH納米顆粒，共同調(diào)控骨修復(fù)過程。在光熱條件下，F(xiàn)e(Cu)OOH納米顆粒釋放的Cu2?和Fe3?，結(jié)合近紅外光產(chǎn)生的溫?zé)嵛h(huán)境和SiO?殼層，共同促進(jìn)細(xì)菌清除、M2極化、血管和骨重建，最終推動骨再生。

研究人員首先通過冷凍干燥法制備了具有100 μm孔徑的3D多孔殼聚糖-羥基磷灰石（CH）支架，模擬天然骨基質(zhì)結(jié)構(gòu)。利用殼聚糖分子中氨基和羥基的螯合能力，原位礦化合成了Fe(Cu)OOH“類葉綠體”納米結(jié)構(gòu)，并通過化學(xué)氣相沉積包裹SiO?保護(hù)層，形成功能梯度的CH/FeCu@SiO?仿生復(fù)合支架。元素映射證實Fe、Cu、Si和C成功整合于體系中，Cu占金屬元素的2.1%。FTIR和XRD分析進(jìn)一步驗證了FeOOH和羥基磷灰石的成功礦化以及SiO?層的存在。XPS顯示Fe2?和Cu?的存在，其電子相互作用可能為ROS清除提供催化位點。該支架具有60.6%的孔隙率和顯著增強(qiáng)的壓縮性能（抗壓應(yīng)力提高3.58倍，楊氏模量提高2.81倍），SiO?層延緩了降解速率，并調(diào)控了Cu2?的緩釋行為，14天累計釋放量為4.42 μg/mL，低于細(xì)胞毒性閾值。在光熱性能方面，SiO?“硅殼”顯著提升了Fe(Cu)OOH的光熱轉(zhuǎn)換效率，CH/FeCu@SiO?在808 nm近紅外光照射下最高溫度達(dá)69.5°C，且循環(huán)穩(wěn)定性高（效率衰減<5%）。該支架還表現(xiàn)出類SOD和CAT的抗氧化酶活性，能高效清除O??和ABTS?，其酶動力學(xué)參數(shù)顯示高底物親和力和催化效率。

圖1. 支架的形貌與理化性質(zhì)表征 a) CH支架的SEM圖像和EDS元素映射。 b) CH/FeCu@SiO?支架的SEM圖像和EDS元素映射。比例尺：100 μm。 c) 支架的FTIR光譜。 d) 支架的XRD圖譜。 e) 各樣品的XPS全譜和f) Fe 2p峰分峰擬合。 g) CH和CH/FeCu@SiO?支架的孔隙率（n=4）。 h) CH和CH/FeCu@SiO?支架的抗壓性能（n=3）。 i) 支架在含酶PBS中的降解曲線（n=3）。 j) CH/FeCu和CH/FeCu@SiO?支架中Cu元素的累計釋放曲線（n=3）。 k,l) 干燥支架在近紅外激光照射下的紅外熱成像圖及溫度變化曲線。 m) 浸沒在PBS中的支架在近紅外激光照射下的溫度變化。數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。

在抗菌性能評估中，CH/FeCu@SiO?聯(lián)合近紅外照射對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的殺菌率超過90%，顯著高于其他組。掃描電鏡顯示含銅支架引起細(xì)菌膜破裂和胞質(zhì)泄漏，活/死染色進(jìn)一步證實其抗菌效果。該組合策略還能有效破壞生物膜，使生物量減少88%，其機(jī)制包括光熱破壞生物膜基質(zhì)、銅離子促進(jìn)膜滲透性和Fenton樣反應(yīng)誘導(dǎo)氧化應(yīng)激。在干細(xì)胞保護(hù)方面，該支架能顯著降低H?O?誘導(dǎo)的ROS水平（降低69.2%），減少DNA損傷和細(xì)胞凋亡，并維持干鋪展、遷移和成骨分化能力。ALP染色顯示其能恢復(fù)H?O?損傷的成骨表型。

圖2. 不同支架在有無近紅外照射下的體外抗菌活性 a) 金黃色葡萄球菌和b) 大腸桿菌與不同樣品在有無近紅外光照下的菌落情況。 c,d) 大腸桿菌和e,f) 金黃色葡萄球菌的活/死菌比率（n=3）。 g) 浮游菌和h) 生物膜頂視圖和截面圖的活/死染色熒光圖像及對應(yīng)SEM圖像。 i) 金黃色葡萄球菌和j) 大腸桿菌生物膜的活/死菌比率（n=3）。 k) 金黃色葡萄球菌和l) 大腸桿菌生物膜的結(jié)晶紫染色定量分析（n=3）。 m) 仿生支架的抗菌機(jī)制示意圖。數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。

圖3. 不同支架在有無近紅外照射下對BMSCs的ROS清除與干細(xì)胞保護(hù)作用 a) DCFH-DA染色熒光圖像和b) 相對熒光強(qiáng)度（n=6）。比例尺：100 μm。 c) DNA/RNA損傷染色熒光圖像和d) 線性熒光強(qiáng)度。比例尺：40 μm。 e) γ-H2AX染色熒光圖像和f) γ-H2AX焦點數(shù)量（n=15）。比例尺：10 μm。 g) Vinculin熒光圖像。比例尺：50 μm。 h) TUNEL assay熒光圖像。比例尺：50 μm。 i) Annexin V-FITC/PI染色流式細(xì)胞術(shù)檢測BMSCs凋亡。 j) 正常、早期凋亡、晚期凋亡和壞死階段細(xì)胞比例。 k) 成骨誘導(dǎo)后BMSCs的ALP染色。 l) CH/FeCu@SiO?和近紅外對凋亡和成骨效應(yīng)的影響示意圖。數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。

在免疫調(diào)節(jié)方面，CH/FeCu@SiO?聯(lián)合近紅外能有效清除LPS誘導(dǎo)的ROS，促進(jìn)巨噬細(xì)胞從M1型向M2型極化，M2型比例提高1.64倍。qPCR和Western blot顯示其下調(diào)M1相關(guān)基因（TNF-α、iNOS），上調(diào)M2相關(guān)基因（IL-4R、Arg-1）。在成骨和成血管活性方面，該支架顯著增強(qiáng)ALP活性和鈣結(jié)節(jié)形成，上調(diào)Col1A1、OPN、Runx2等成骨基因表達(dá)，并促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞形成管狀結(jié)構(gòu)。RNA測序分析顯示其上調(diào)“細(xì)胞遷移”、“成骨發(fā)育”相關(guān)基因，富集TGF-β、PI3K-Akt信號通路，抑制破骨分化和TNF通路。在大鼠感染性股骨缺損模型中，CH/FeCu@SiO?聯(lián)合近紅外照射表現(xiàn)出優(yōu)異的抗感染和成骨能力，8周后缺損幾乎愈合，骨體積分?jǐn)?shù)（BV/TV）提高1.3倍，且未見皮膚損傷。組織學(xué)分析顯示其促進(jìn)新骨形成、膠原沉積和血管生成，并調(diào)節(jié)免疫微環(huán)境向M2型巨噬細(xì)胞主導(dǎo)的修復(fù)狀態(tài)轉(zhuǎn)變。TRAP染色顯示破骨細(xì)胞活性降低，主要器官未見明顯毒性反應(yīng)。

圖4. 不同支架在有無近紅外照射下的體外免疫調(diào)節(jié)與巨噬細(xì)胞活化 a) 熒光圖像、b) 流式細(xì)胞術(shù)和c) DCFH-DA陽性RAW 264.7細(xì)胞百分比（n=6）。比例尺：50 μm。 d) RAW 264.7細(xì)胞中4-HNE熒光圖像。比例尺：20 μm。 e) 4-HNE染色相對熒光強(qiáng)度（n=15）。 f) RAW 264.7細(xì)胞骨架染色圖像。比例尺：20 μm。 g) RAW 264.7細(xì)胞中iNOS和CD206熒光圖像。比例尺：20 μm。 h) iNOS和CD206染色相對熒光強(qiáng)度（n=6）。 i) RAW 264.7細(xì)胞中M2巨噬細(xì)胞流式分析。 j) M1標(biāo)志物（TNF-α、iNOS）和M2標(biāo)志物（IL-4R、Arg-1）基因表達(dá)的qRT-PCR分析。 k) M1標(biāo)志物（iNOS、CD86）和M2標(biāo)志物（CD163、CD206）基因表達(dá)的Western blot分析。 l) LPS刺激下CH/FeCu@SiO?+近紅外對免疫調(diào)節(jié)和巨噬細(xì)胞活化的影響示意圖。數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。

圖5. 不同支架在有無近紅外照射下的體外成骨與成血管活性 a) 處理14天后BMSCs的ALP染色整體視圖和顯微圖像。比例尺：400 μm。 b) ALP染色定量分析（n=6）。 c) 處理21天后BMSCs的ARS染色整體視圖和顯微圖像。比例尺：400 μm。 d) ARS染色定量分析（n=6）。 e) 處理7天后BMSCs中Col1A1熒光圖像。比例尺：20 μm。 f) Col1A1染色相對熒光強(qiáng)度（n=15）。 g) 處理12小時后HUVECs內(nèi)皮網(wǎng)絡(luò)形成熒光圖像。比例尺：100 μm。 h) HUVECs內(nèi)皮網(wǎng)絡(luò)分支點定量分析（n=15）。 i) CH/FeCu@SiO?+NIR組與CH組相比成骨基因上/下調(diào)的火山圖（|log2FC|>1, p<0.05）。 j) 上調(diào)DEGs的GO富集分析。 k) 上調(diào)DEGs的KEGG富集分析。 l) 破骨細(xì)胞分化的GSEA圖。 m) TGF-β信號通路的GSEA圖。 n) CH/FeCu@SiO?和近紅外對成骨與成血管活性的影響示意圖。數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。

圖6. 不同支架在有無近紅外照射下對感染性股骨缺損的體內(nèi)骨再生 a) SD大鼠感染性股骨缺損中支架應(yīng)用的手術(shù)步驟。 b) 不同激光功率密度下（808 nm, 1.0, 2.0, 3.0 W/cm2）大鼠股骨缺損處支架的溫度變化。 c) 照射區(qū)域最高溫度紅外熱成像圖。 d) 植入物隨時間溫度曲線（808 nm, 2.0 W/cm2）。 e) 植入2、4、8周后股骨組織照片。 f) 術(shù)后4、8周骨隧道微CT三維重建圖像的前視圖和橫視圖（缺損區(qū)域紅色標(biāo)出）。比例尺：4 mm。 g) BV/TV、h) Tb.N、i) Tb.Th、j) Tb.Sp在缺損部位的定量分析。 k) 體內(nèi)抗感染評估及處理4天后細(xì)菌定植代表性照片。 l) CH/FeCu@SiO?和近紅外用于細(xì)菌清除、ROS清除和促進(jìn)骨形成的示意圖。數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。

圖7. 不同支架在有無近紅外照射下體內(nèi)骨形成的組織學(xué)評價 a) 植入4、8周后移植部位Masson三色染色。F：纖維組織；NB：新骨組織。比例尺：1 mm。 b) 術(shù)后8周OCN熒光圖像。比例尺：150 μm。 c) 術(shù)后8周Col1A1熒光圖像。比例尺：150 μm。 d) 術(shù)后8周CD31熒光圖像。比例尺：100 μm。 e) 術(shù)后8周CD163熒光圖像。比例尺：50 μm。 f) 術(shù)后8周OCN染色相對熒光強(qiáng)度定量分析（n=8）。 g) 術(shù)后8周Col1A1染色相對熒光強(qiáng)度定量分析（n=8）。 h) 術(shù)后8周CD31染色面積定量分析（n=8）。 i) 術(shù)后8周CD163陽性細(xì)胞（M2巨噬細(xì)胞）百分比定量分析（n=8）。數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。

綜上所述，該研究通過仿生硅藻結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種具有穩(wěn)定光熱性能、協(xié)同抗菌-成骨功能的多孔支架，為感染性骨缺損的治療提供了一種高效、安全的策略，并展現(xiàn)出良好的臨床轉(zhuǎn)化潛力。

來源：高分子科學(xué)前沿

聲明：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學(xué)之處，請在下方留言指正！