植入相關感染（IAIs）是導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險，而且由于抗生素的廣泛使用，導致了多藥耐藥性病原體的增加，使得治療變得更加復雜。為應對這一挑戰(zhàn)，四川大學華西口腔醫(yī)院梁坤能副教授與鄧怡研究員團隊開發(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。該涂層不僅增強了成骨細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，激活類芬頓反應和類漆酶的反應，耗竭糖尿病感染微環(huán)境中的谷胱甘肽（GSH），實現(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感染的級聯(lián)放大治療機制。
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，以及顯示每個樣品上液滴的相應圖像。每個樣本 n = 3。d) SP-MX和SP-M/A@G的XPS測量光譜，以及相應的高分辨率 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/關照射。d) 不同樣品的實時近紅外熱圖像。e) SP-M/A@G光熱機理示意圖。
圖5：光動力學和化學動力學特性。 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。每個樣本 n = 3。i) SP-M/A@G 級聯(lián)催化機制的示意圖。
圖6：M/A異質(zhì)結(jié)的DFT理論計算：a) M/A界面沿z軸的靜電電位變化。b) Ag3PO4和M/A界面的預計態(tài)密度(DOS)。c) M/A界面相應的帶隙結(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細胞形態(tài)，偽足用紅色星號標記。b) 24小時孵育后的活/死染色。通過 d) PT、e) APPT、f) FIB 和 g) TT 測定評估血液相容性。每個樣本n = 3。h，i) ALP活性的定量和染色結(jié)果。每個樣本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。a) 描繪模型制作和各種治療管理的時間線的示意圖。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）相應的細菌存活率。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) 中性粒細胞數(shù)和d) 來自大鼠血常規(guī)檢查的白細胞數(shù)。e) 不同治療組的TNF-α和IL-6的免疫組織化學染色結(jié)果。每個樣本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。
體外實驗結(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)評估進一步證實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華西口腔醫(yī)院2022級碩士研究生龔靖和四川大學化學工程學院特聘研究員賴雙權(quán)，通訊作者為四川大學華西口腔醫(yī)院的梁坤能副教授和四川大學化學工程學院鄧怡研究員。本工作得到了國家自然科學基金、四川省科技廳項目的資金支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202409437
