3D打印-納米材料結合構建新植入體，提高低溫PTT抗菌特性以促進骨再生！

來源： NANO學術

與植入物有關的感染是骨外科手術后的嚴重并發(fā)癥，會損害人工植入物的預期功能，導致手術失敗，嚴重時甚至會導致截肢。人們提出了各種策略來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正常組織不利的副作用。 在這項研究中，設計了一種多功能的骨植入物，與連續(xù)的光熱調解一起工作，可以在早期階段提供抗菌治療（<50 ℃），隨后促進骨再生（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。在這種設計中，BPs產生光熱效應，ZnL 2 通過誘導包膜應力增加種植體周圍細菌的熱敏感性。 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，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)學應用，而且也為其他領域的多功能生物材料的設計提供了啟示。

圖1. ZnL 2 -BPs@HAP抗菌及促進成骨示意圖

ZnL 2  被引入到修改BPs中，因為Zn是一種過渡金屬，可以通過其電子空軌道與磷的孤對電子協(xié)調，并且這種協(xié)調能力可以通過磷的親電效應進一步加強。XPS，SEM, ZetaD電位，Mapping等實驗表明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納米范圍內檢測不到吸收。由于快速氧化，BPs在PBS中的深灰色在8天內會消失。相比之下，ZnL 2 -BPs在空氣中具有相對穩(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3D打印設計和建造多孔的HA支架，并將ZnL 2 -BPs修飾在HA支架構建ZnL 2 -BPs@HAP，研究ZnL 2 -BPs@HAP在體外對致病菌的抗菌作用。ZnL 2 -BPs@HAP在沒有近紅外照射的情況下具有抗菌性，其對 S. aureus 的抗菌率為77.6±2.5%，對 E. coli 的抗菌率63.1 ± 5.5%。在相同條件下，HA、HAP和BPs@HAP組沒有明顯的抗菌活性。近紅外輻照下，由于光熱效應（<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。

圖3. ZnL 2 -BPs@HAP體外抗菌評價

為了評估ZnL 2 -BPs@HAP體內的抗菌和成骨性能。HA和ZnL 2 -BPs@HAP預先被10 4 mL -1 的 S. aureus 植入實驗性大鼠的骨缺損中。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組的植入部位沒有分泌物和膿液，表明細菌感染已被清除。之后，將支架從植入部位提取出來，在具體培養(yǎng)基滾動，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ZnL 2 -BPs@HAP+NIR處理后，種植體周圍幾乎沒有炎癥細胞浸潤和細菌污染，表明其在體內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有受到嚴重的損傷。

圖3. ZnL 2 -BPs@HAP植入后2周內的體內抗菌能力

植入后5周和10周后，大鼠被犧牲以評估新骨形成。從HA組（++）和ZnL 2 -BPs@HAP組（--）組的骨組織含有炎癥細胞，而這兩組形成的骨是有限的，這表明細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周后的體內骨再生評價

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