川大梁坤能副教授和鄧怡研究員團(tuán)隊(duì) Small：糖尿病植入相關(guān)感染的新療法 - 級聯(lián)放大治療能力的多功能生物異質(zhì)結(jié)酶工程植入物
植入相關(guān)感染（IAIs）是導(dǎo)致植入物植入失敗的主要因素，特別是在糖尿病人群中更為常見。常見的治療手段包括植入物的更換及術(shù)后的系統(tǒng)性抗生素治療，這些方法不僅伴隨風(fēng)險(xiǎn)，而且由于抗生素的廣泛使用，導(dǎo)致了多藥耐藥性病原體的增加，使得治療變得更加復(fù)雜。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院梁坤能副教授與鄧怡研究員團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種創(chuàng)新的MXene/Ag3PO4@GOx（M/A@GOx bio-HJzyme）涂層技術(shù)，該技術(shù)通過水熱處理和逐層沉積工藝，將涂層應(yīng)用于惰性磺化聚醚醚酮（SP-M/A@G）植入物表面。該涂層不僅增強(qiáng)了成骨細(xì)胞在植入物表面的粘附與增殖，而且在808納米近紅外（NIR）光照射下，能夠引發(fā)局部高溫和活性氧（ROS）的產(chǎn)生，激活類芬頓反應(yīng)和類漆酶的反應(yīng)，耗竭糖尿病感染微環(huán)境中的谷胱甘肽（GSH），實(shí)現(xiàn)治療效果的級聯(lián)放大。
圖1： a) SP-M/A@G 的制作示意圖，b) 其用于治療植入物相關(guān)感染的級聯(lián)放大治療機(jī)制。
圖2.：M/A異質(zhì)結(jié)的表征。a) M-MXene、S-MXene、Ag3PO4和M/A異質(zhì)結(jié)的SEM圖像。b) M/A異質(zhì)結(jié)的元素圖。c) M/A異質(zhì)結(jié)的TEM圖像。d) M/A異質(zhì)結(jié)的HR-TEM圖像。e) MXene、Ag3PO4和M/A異質(zhì)結(jié)的XRD圖譜。f) MXene、Ag3PO4和M/A異質(zhì)結(jié)的FTIR光譜。g) MXene、Ag3PO4和M/A異質(zhì)結(jié)的Zeta電位。每組n = 3。h) 紫外-可見-近紅外吸收光譜和相應(yīng)的 i) MXene、Ag3PO4 和 M/A 異質(zhì)結(jié)的Tauc圖。j) MXene、Ag3PO4和M/A異質(zhì)結(jié)的PL發(fā)射光譜。
圖3： SP-M/A@G的表征。a) SP、SP-M/A和SP-M/A@G的SEM圖像。b) SP-M/A@G的元素圖。c) PEEK、SP、SP-M/A和SP-M/A@G的WCA變化，以及顯示每個(gè)樣品上液滴的相應(yīng)圖像。每個(gè)樣本 n = 3。d) SP-MX和SP-M/A@G的XPS測量光譜，以及相應(yīng)的高分辨率 e) Ta 4f、f) C 1s、g) O 1s XPS光譜。 h) SP-M/A@G的Ag 3d光譜。
圖4：光熱特性。 a) 各種植入物在PBS中經(jīng)受808 nm NIR (1.5 W cm?2) 的光熱性能。b) 含 SP-M/A@G的PBS經(jīng)過NIR（0.5、1.0、1.5 W cm?2）處理后的溫度變化。 c) PBS中的 SP-M/A@G的光熱循環(huán)經(jīng)受三次開/關(guān)照射。d) 不同樣品的實(shí)時(shí)近紅外熱圖像。e) SP-M/A@G光熱機(jī)理示意圖。
圖5：光動力學(xué)和化學(xué)動力學(xué)特性。 a) 原理和 b) 表明DPBF耗盡的紫外可見吸收光譜。c) ESR光譜證明1O2的存在。 d) 原理和 e) 吸收光譜說明NBT還原。f) ESR譜顯示·O2?的產(chǎn)生。g）反映TMB氧化的紫外可見吸收光譜。h) 不同處理后GSH溶液的OD值。每個(gè)樣本 n = 3。i) SP-M/A@G 級聯(lián)催化機(jī)制的示意圖。
圖6：M/A異質(zhì)結(jié)的DFT理論計(jì)算：a) M/A界面沿z軸的靜電電位變化。b) Ag3PO4和M/A界面的預(yù)計(jì)態(tài)密度(DOS)。c) M/A界面相應(yīng)的帶隙結(jié)構(gòu)。d) 沿M/A系統(tǒng)z軸的平面平均差分電荷密度(Δρ)，黃色區(qū)域表示電子積累，藍(lán)色區(qū)域表示電子耗盡。e) Ag3PO4和 M/A上吸附O2后的結(jié)構(gòu)表征。 f) 光動力和漆酶模擬活性的潛在機(jī)制的示意圖。
圖7：體外抗菌性能評估：該圖顯示的圖像顯示經(jīng)過各種處理的 a) 金黃色葡萄球菌和 c) 大腸桿菌菌落，以及在近紅外輻射10分鐘后觀察到的各自的 b、d) 抗菌效率。e) 顯示不同處理后金黃色葡萄球菌的活/死活力圖像，f) 相應(yīng)的存活/死亡比率。g) 使用結(jié)晶紫染料可視化的生物膜的典型圖像與 h) 相應(yīng)的定量分析一起呈現(xiàn)。每組 n = 3；p值通過單向方差分析評估；**** 代表 p < 0.0001。
圖8：體外抗菌特性分析：用不同樣品處理的 a) 金黃色葡萄球菌和 b) 大腸桿菌的SEM形態(tài)，粉色箭頭突出顯示膜收縮。c) 細(xì)菌的TEM形態(tài)。不同處理后金黃色葡萄球菌和大腸桿菌中的 d) DNA和 e) 蛋白質(zhì)泄漏。每組 n = 3；p值通過單向方差分析評估；**** 代表 p < 0.0001。
圖9：體外生物相容性和成骨。通過 a) SEM和 c) CLSM評估SP、SP-M/A和SP-M/A@G支架上的MC3T3-E1細(xì)胞形態(tài)，偽足用紅色星號標(biāo)記。b) 24小時(shí)孵育后的活/死染色。通過 d) PT、e) APPT、f) FIB 和 g) TT 測定評估血液相容性。每個(gè)樣本n = 3。h，i) ALP活性的定量和染色結(jié)果。每個(gè)樣本n = 3（圖 S19 中植入物的局部放大倍數(shù)，支持信息）。j, k) ARS的量化和染色結(jié)果（圖 S19 中植入物的局部放大，支持信息）。每個(gè)樣本n = 3。p值通過單向方差分析評估；* 代表 p < 0.05，*** 代表 p < 0.001，**** 代表 p < 0.0001。
圖10：各種材料體內(nèi)抗菌性能和傷口愈合功效的評價(jià)。a) 描繪模型制作和各種治療管理的時(shí)間線的示意圖。b) 植入物周圍組織的近紅外熱圖像和 c) 近紅外光下植入物的溫度變化。d）SP和SP-M/A@G處理后第1天和第7天的殘留菌落，以及第7天的液體培養(yǎng)物，以及f，g）相應(yīng)的細(xì)菌存活率。每組 n = 3。e) 感染傷口的照片。h)吉姆薩染色。紅色箭頭表示被感染的細(xì)菌。p值通過單向方差分析評估；*** 代表 p < 0.001，**** 代表 p < 0.0001。
圖11：不同治療組收集的傷口皮膚組織的組織學(xué)染色：a) H&E染色結(jié)果和 c) 不同治療組皮下組織的Mason染色結(jié)果（綠色箭頭和星號分別表示炎癥小體和膠原沉積）。b) 中性粒細(xì)胞數(shù)和d) 來自大鼠血常規(guī)檢查的白細(xì)胞數(shù)。e) 不同治療組的TNF-α和IL-6的免疫組織化學(xué)染色結(jié)果。每個(gè)樣本n = 3。p值通過單向方差分析評估；* 代表 p < 0.05，** 代表 p < 0.01，*** 代表 p < 0.001。
體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種多功能bio-HJzyme工程化的植入物展現(xiàn)出了顯著的循環(huán)抗菌特性。體內(nèi)評估進(jìn)一步證實(shí)了其能夠有效清除植入物及其周圍組織上的感染病原體，并促進(jìn)糖尿病感染皮膚的再生。本研究不僅提供了一種構(gòu)建具有級聯(lián)放大治療能力的多功能植入物的革命性方法，也為治療頑固性糖尿病相關(guān)植入感染（IAIs）提供了新策略。
該工作以題為“Multi-Functional Bio-HJzyme Engineered Polyetheretherketone Implant with Cascade-Amplification Therapeutic Capabilities Toward Intractable Implant-Associated Infections”發(fā)表于《Small》。文章第一作者為四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院2022級碩士研究生龔靖和四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院特聘研究員賴雙權(quán)，通訊作者為四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院的梁坤能副教授和四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院鄧怡研究員。本工作得到了國家自然科學(xué)基金、四川省科技廳項(xiàng)目的資金支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202409437
