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四川大學(xué)楊佼佼副研究員、李繼遙教授 ACS AMI:因溫制宜的植入體涂層 - 細(xì)胞膜熱平衡機(jī)制減少熱擴(kuò)散助力抗菌與骨修復(fù)
2024-09-29  來(lái)源:高分子科技

  植入物相關(guān)感染仍然是骨缺損治療中的一個(gè)嚴(yán)重問題,傳統(tǒng)界面抗菌修飾策略存在耐藥性和生物安全風(fēng)險(xiǎn)等問題。近紅外(NIR)輔助的光熱療法已被證明可以有效殺滅細(xì)菌,但受限于 NIR的低穿透性和熱量在軟組織中的快速擴(kuò)散,導(dǎo)致光熱療法在治療感染性骨缺損時(shí)面臨植入體表面熱量不足和軟組織損傷的挑戰(zhàn)。當(dāng)前的解決方案集中于提高光熱涂層的產(chǎn)熱量,伴隨而來(lái)的熱擴(kuò)散會(huì)加劇軟組織灼傷風(fēng)險(xiǎn);谡n題組前期在細(xì)胞膜基抗菌材料的基礎(chǔ)(Advanced Materials,20242405953;Advanced Science,2024,2405764;Nano Today2024,57,102390;Acta Biomaterialia,2024293-306Small,20242311967),尤其是受細(xì)胞膜獨(dú)特的磷脂雙分子層半透膜結(jié)構(gòu)為胞內(nèi)的熱量調(diào)節(jié)提供了關(guān)鍵“樞紐”所啟發(fā),設(shè)計(jì)仿北極熊皮膚結(jié)構(gòu)的高效光熱細(xì)胞膜涂層(Materials Horizons,2024),但細(xì)胞膜如何提高熱療效率未能得到精準(zhǔn)解析。


  本研究利用天然細(xì)胞膜對(duì)熱效應(yīng)的精細(xì)調(diào)控,以聚單寧酸(pTA)作為膠水分子,將光熱劑黑磷(BPNSs)負(fù)載至植入體表面,并在其外層修飾具有熱量調(diào)控與穩(wěn)定功能的紅細(xì)胞膜(RBCM),構(gòu)筑熱增效的細(xì)胞膜基復(fù)合光熱涂層TB-CM。該涂層可在植入體表面實(shí)現(xiàn)顯著的熱增效作用與穩(wěn)定的光響應(yīng)活性。細(xì)胞膜的低熱傳導(dǎo)特性與凝膠-液晶相變能力,是減少植入體表面熱量流失,實(shí)現(xiàn)植入體表面光熱增效的關(guān)鍵機(jī)制。體內(nèi)外研究表明涂層具有優(yōu)異的光熱抗菌作用和促成骨效果,實(shí)現(xiàn)了高效、安全的感染性骨缺損修復(fù)。


  本研究的創(chuàng)新性在于:1)首次提出減少局部熱量損失提高熱療效率的策略,通過減少植入體表面熱量流失,降低組織損傷風(fēng)險(xiǎn)來(lái)最終實(shí)現(xiàn)安全高效的熱療;2)首次將天然細(xì)胞膜用于光熱治療中的保溫增效,并進(jìn)一步以多酚作為橋梁,在植入體表面便捷構(gòu)建自組裝涂層;3)聯(lián)合應(yīng)用物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)和數(shù)學(xué)等學(xué)科的知識(shí),全面分析和理解涂層的熱力學(xué)行為與熱力學(xué)性質(zhì)。

Figure 1涂層的熱增效性能表征。


Figure 2涂層的熱增效機(jī)制研究


Figure 3.體內(nèi)抗菌性能評(píng)估。


Figure 4.體內(nèi)修復(fù)骨缺損效果評(píng)估


  該工作以題為Engineering Coatings Inspired by Cell Membrane Thermal Dynamics to Enhance Photothermal Therapy and Osteogenesis for Implant Infections發(fā)表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。文章第一作者為四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院2021級(jí)博士侯嬡琳何利邦副教授,通訊作者為四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院的楊佼佼副研究員和李繼遙教授。特別感謝四川大學(xué)生物治療全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周西坤研究員提供的實(shí)驗(yàn)必需的材料和四川大學(xué)李建樹教授、程磊教授和羅珺副研究員的指導(dǎo)。本工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、四川省科技廳項(xiàng)目、四川大學(xué)研究項(xiàng)目和華西口腔醫(yī)院項(xiàng)目的資金支持。


  文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.4c09978

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