3D打印-納米材料結(jié)合構(gòu)建新植入體,，提高低溫PTT抗菌特性以促進(jìn)骨再生,！

來(lái)源： NANO學(xué)術(shù)

與植入物有關(guān)的感染是骨外科手術(shù)后的嚴(yán)重并發(fā)癥,，會(huì)損害人工植入物的預(yù)期功能，導(dǎo)致手術(shù)失敗,，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)��?dǎo)致截肢,。人們提出了各種策略來(lái)賦予骨植入物以理想的抗菌特性，但不幸的是,，大多數(shù)策略不可避免地存在一些對(duì)正常組織不利的副作用,。 在這項(xiàng)研究中，設(shè)計(jì)了一種多功能的骨植入物,，與連續(xù)的光熱調(diào)解一起工作,，可以在早期階段提供抗菌治療（<50 ℃），隨后促進(jìn)骨再生（40-42 ℃） ,。黑磷納米片（BPs）與磺酸鋅配體（ZnL 2 ）形成ZnL 2 -BPs,，并將其整合到羥基磷灰石（HA）支架的表面，形成ZnL 2 -BPs@HAP,。在這種設(shè)計(jì)中,，BPs產(chǎn)生光熱效應(yīng),，ZnL 2 通過(guò)誘導(dǎo)包膜應(yīng)力增加種植體周圍細(xì)菌的熱敏感性。 由于溫度較低,，抗菌光熱處理的生物安全性得到提高,，此外，Zn 2+ 和PO 4 3- 從支架中逐漸釋放出來(lái),，有利于骨愈合的后續(xù)階段的成骨 ,。這一策略不僅拓寬了光熱治療的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，而且也為其他領(lǐng)域的多功能生物材料的設(shè)計(jì)提供了啟示,。

圖1. ZnL 2 -BPs@HAP抗菌及促進(jìn)成骨示意圖

ZnL 2  被引入到修改BPs中,，因?yàn)閆n是一種過(guò)渡金屬，可以通過(guò)其電子空軌道與磷的孤對(duì)電子協(xié)調(diào),，并且這種協(xié)調(diào)能力可以通過(guò)磷的親電效應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng),。XPS，SEM, ZetaD電位,，Mapping等實(shí)驗(yàn)表明ZnL 2 -BPs的成功制備,。將ZnL 2 , BPs, ZnL 2 -BPs 分別浸泡于PBS溶液中觀察其分解情況。 ZnL 2 在PBS中是透明的,，在350和900納米范圍內(nèi)檢測(cè)不到吸收,。由于快速氧化，BPs在PBS中的深灰色在8天內(nèi)會(huì)消失,。相比之下,，ZnL 2 -BPs在空氣中具有相對(duì)穩(wěn)定的特性，將ZnL 2 -BPs分散在PBS中28天后,，其在808nm處的吸光度仍保持在50%以上,。 很明顯，ZnL 2 -BPs的穩(wěn)定性比裸露的BPs要好得多,。此外,，近紅外輻照會(huì)加速裸露的BPs的解。在相同的條件下,，ZnL 2 -BPs的穩(wěn)定性幾乎沒(méi)有變化,，從而表明ZnL 2 -BPs具有良好的穩(wěn)定性。

圖2. 材料表征

通過(guò)3D打印設(shè)計(jì)和建造多孔的HA支架,，并將ZnL 2 -BPs修飾在HA支架構(gòu)建ZnL 2 -BPs@HAP,，研究ZnL 2 -BPs@HAP在體外對(duì)致病菌的抗菌作用。ZnL 2 -BPs@HAP在沒(méi)有近紅外照射的情況下具有抗菌性,，其對(duì) S. aureus 的抗菌率為77.6±2.5%,，對(duì) E. coli 的抗菌率63.1 ± 5.5%。在相同條件下，HA,、HAP和BPs@HAP組沒(méi)有明顯的抗菌活性。近紅外輻照下,，由于光熱效應(yīng)（<50 ℃）,，BPs@HAP和ZnL 2 -BPs@HAP的抗菌能力明顯提高。在近紅外照射15分鐘后,， ZnL 2 -BPs@HAP可以消毒99.8±0.2%的 S. aureus 和99.7±0.1%的 E. coli ,，其效率高于BPs、BPs@HAP,。 進(jìn)一步研究表明ZnL 2 -BPs@HAP是理想的抗菌材料,。ZnL 2 -BPs@HAP的抗菌特性不僅取決于ZnL 2 -BPs的濃度，而且還與外部近紅外光的功率有關(guān),。

圖3. ZnL 2 -BPs@HAP體外抗菌評(píng)價(jià)

為了評(píng)估ZnL 2 -BPs@HAP體內(nèi)的抗菌和成骨性能,。HA和ZnL 2 -BPs@HAP預(yù)先被10 4 mL -1 的 S. aureus 植入實(shí)驗(yàn)性大鼠的骨缺損中。在HA和ZnL 2 -BPs@HAP組中,，用近紅外激光輻照,。在手術(shù)后的第一、第二和第三天各照射10分鐘,。從植入后第一周到第六周,，每次在這些部位進(jìn)行6分鐘的照射。在NIR輻照120s,，ZnL 2 -BPs@HAP的溫度從36.2 ℃上升到>45.0 ℃,，HA+Light沒(méi)有明顯的溫度變化。植入后2周后,，ZnL 2 -BPs@HAP+NIR組抗菌效率為98.53 ± 0.42%,。在HA+NIR組的植入部位可以觀察到分泌物和膿液。但在ZnL 2 -BPs@HA組則部分緩解,。相反,，ZnL 2 -BPs@HAP+NIR組的植入部位沒(méi)有分泌物和膿液，表明細(xì)菌感染已被清除,。之后,，將支架從植入部位提取出來(lái)，在具體培養(yǎng)基滾動(dòng),，并在Luria-Bertani（LB）培養(yǎng)基中培養(yǎng),，其菌落數(shù)和濁度明顯低于其他兩組，表明ZnL 2 -BPs@HAP+NIR具有高效抗菌特性,。經(jīng)ZnL 2 -BPs@HAP+NIR處理后,，種植體周圍幾乎沒(méi)有炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)和細(xì)菌污染，表明其在體內(nèi)具有令人滿意的抗菌能力。此外,，ZnL 2 -BPs@HAP+NIR組的種植體周圍組織在近紅外照射后沒(méi)有受到嚴(yán)重的損傷,。

圖3. ZnL 2 -BPs@HAP植入后2周內(nèi)的體內(nèi)抗菌能力

植入后5周和10周后，大鼠被犧牲以評(píng)估新骨形成,。從HA組（++）和ZnL 2 -BPs@HAP組（--）組的骨組織含有炎癥細(xì)胞,，而這兩組形成的骨是有限的，這表明細(xì)菌感染和炎癥阻礙了骨的再生,。ZnL 2 -BPs@HAP(+-)組的新骨形成比HA（++）組和ZnL 2 -BPs@HAP（--）組好,。新骨形成ZnL 2 -BPs@HAP(++)組經(jīng)受輻照II的效果優(yōu)于ZnL2-BPs@HAP（+-）組。

圖4. 植入5周和10周后的體內(nèi)骨再生評(píng)價(jià)

原文： https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.1c06062