3D打印-纳米材料结合构建新植入体，提高低温PTT抗菌特性以促进骨再生！

来源： NANO学术

与植入物有关的感染是骨外科手术后的严重并发症，会损害人工植入物的预期功能，导致手术失败，严重时甚至会导致截肢。人们提出了各种策略来赋予骨植入物以理想的抗菌特性，但不幸的是，大多数策略不可避免地存在一些对正常组织不利的副作用。 在这项研究中，设计了一种多功能的骨植入物，与连续的光热调解一起工作，可以在早期阶段提供抗菌治疗（<50 ℃），随后促进骨再生（40-42 ℃） 。黑磷纳米片（BPs）与磺酸锌配体（ZnL 2 ）形成ZnL 2 -BPs，并将其整合到羟基磷灰石（HA）支架的表面，形成ZnL 2 -BPs@HAP。在这种设计中，BPs产生光热效应，ZnL 2 通过诱导包膜应力增加种植体周围细菌的热敏感性。 由于温度较低，抗菌光热处理的生物安全性得到提高，此外，Zn 2+ 和PO 4 3- 从支架中逐渐释放出来，有利于骨愈合的后续阶段的成骨 。这一策略不仅拓宽了光热治疗的生物医学应用，而且也为其他领域的多功能生物材料的设计提供了启示。

图1. ZnL 2 -BPs@HAP抗菌及促进成骨示意图

ZnL 2  被引入到修改BPs中，因为Zn是一种过渡金属，可以通过其电子空轨道与磷的孤对电子协调，并且这种协调能力可以通过磷的亲电效应进一步加强。XPS，SEM, ZetaD电位，Mapping等实验表明ZnL 2 -BPs的成功制备。将ZnL 2 , BPs, ZnL 2 -BPs 分别浸泡于PBS溶液中观察其分解情况。 ZnL 2 在PBS中是透明的，在350和900纳米范围内检测不到吸收。由于快速氧化，BPs在PBS中的深灰色在8天内会消失。相比之下，ZnL 2 -BPs在空气中具有相对稳定的特性，将ZnL 2 -BPs分散在PBS中28天后，其在808nm处的吸光度仍保持在50%以上。 很明显，ZnL 2 -BPs的稳定性比裸露的BPs要好得多。此外，近红外辐照会加速裸露的BPs的解。在相同的条件下，ZnL 2 -BPs的稳定性几乎没有变化，从而表明ZnL 2 -BPs具有良好的稳定性。

图2. 材料表征

通过3D打印设计和建造多孔的HA支架，并将ZnL 2 -BPs修饰在HA支架构建ZnL 2 -BPs@HAP，研究ZnL 2 -BPs@HAP在体外对致病菌的抗菌作用。ZnL 2 -BPs@HAP在没有近红外照射的情况下具有抗菌性，其对 S. aureus 的抗菌率为77.6±2.5%，对 E. coli 的抗菌率63.1 ± 5.5%。在相同条件下，HA、HAP和BPs@HAP组没有明显的抗菌活性。近红外辐照下，由于光热效应（<50 ℃），BPs@HAP和ZnL 2 -BPs@HAP的抗菌能力明显提高。在近红外照射15分钟后， 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。 进一步研究表明ZnL 2 -BPs@HAP是理想的抗菌材料。ZnL 2 -BPs@HAP的抗菌特性不仅取决于ZnL 2 -BPs的浓度，而且还与外部近红外光的功率有关。

图3. ZnL 2 -BPs@HAP体外抗菌评价

为了评估ZnL 2 -BPs@HAP体内的抗菌和成骨性能。HA和ZnL 2 -BPs@HAP预先被10 4 mL -1 的 S. aureus 植入实验性大鼠的骨缺损中。在HA和ZnL 2 -BPs@HAP组中，用近红外激光辐照。在手术后的第一、第二和第三天各照射10分钟。从植入后第一周到第六周，每次在这些部位进行6分钟的照射。在NIR辐照120s，ZnL 2 -BPs@HAP的温度从36.2 ℃上升到>45.0 ℃，HA+Light没有明显的温度变化。植入后2周后，ZnL 2 -BPs@HAP+NIR组抗菌效率为98.53 ± 0.42%。在HA+NIR组的植入部位可以观察到分泌物和脓液。但在ZnL 2 -BPs@HA组则部分缓解。相反，ZnL 2 -BPs@HAP+NIR组的植入部位没有分泌物和脓液，表明细菌感染已被清除。之后，将支架从植入部位提取出来，在具体培养基滚动，并在Luria-Bertani（LB）培养基中培养，其菌落数和浊度明显低于其他两组，表明ZnL 2 -BPs@HAP+NIR具有高效抗菌特性。经ZnL 2 -BPs@HAP+NIR处理后，种植体周围几乎没有炎症细胞浸润和细菌污染，表明其在体内具有令人满意的抗菌能力。此外，ZnL 2 -BPs@HAP+NIR组的种植体周围组织在近红外照射后没有受到严重的损伤。

图3. ZnL 2 -BPs@HAP植入后2周内的体内抗菌能力

植入后5周和10周后，大鼠被牺牲以评估新骨形成。从HA组（++）和ZnL 2 -BPs@HAP组（--）组的骨组织含有炎症细胞，而这两组形成的骨是有限的，这表明细菌感染和炎症阻碍了骨的再生。ZnL 2 -BPs@HAP(+-)组的新骨形成比HA（++）组和ZnL 2 -BPs@HAP（--）组好。新骨形成ZnL 2 -BPs@HAP(++)组经受辐照II的效果优于ZnL2-BPs@HAP（+-）组。

图4. 植入5周和10周后的体内骨再生评价

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