在临床上，很难同时赋予植体良好的成骨能力和抗菌活性。细菌感染和与宿主组织的骨整合不足会延迟患者的恢复时间，增加术后发病率。早期植入成功的关键是骨细胞在植入物上的快速成骨分化和同时防止细菌感染。因此，开发不使用抗生素的安全策略来预防细菌感染并同时增强骨整合是非常必要的。
天津大学材料科学与工程学院吴水林、河北工业大学材料科学与工程学院梁春永生命科学与健康工程学院刘响梅合作，采用激光熔覆和化学气相沉积(CVD)法制备了HA/MoS2涂层改性Ti6Al4V (Ti6)的自激活植入物，以防止金黄色葡萄球菌和大肠杆菌感染，同时加速骨再生。HA/MoS 2涂层通过从细菌中提取电子和改变细菌呼吸激活的代谢途径来有效杀灭细菌，同时通过促进MSCs成骨分化，加速骨再生。相关工作以“Self-activating anti-infection implant”发表在《Nature Communications》。
图1 细菌或MSCs-HA / MoS2-Ti6生物杂交系统设计，防止细菌感染，同时促进骨组织再生
【HA/ MoS2-Ti6的表征及抗菌性能】
采用激光熔覆和化学气相沉积的方法制备了HA/ MoS2-Ti6。HA/MoS 2中Ca， P， Mo， S元素在涂层中均匀分布，表面形成了熔覆层且硫化成功，涂层中存在二硫化钼。此外，HA成功地熔覆了MoS 2，激光熔覆和CVD处理后没有形成空位。HA - ti6、MoS 2-Ti6和HA/MoS 2-Ti6表面亲水性的改善归因于激光熔覆工艺提高了植入体的表面粗糙度和HA中的羟基。通过激光熔覆和化学气相沉积形成了HA/MoS 2异质结且处于固熔体状态，界面接触紧密。
细菌具有生物氧化还原电位(BRP)，其范围为−4.12 eV ~−4.84 ev。而HA/ MoS 2-Ti6的电位低于BRP，确保了电子从膜蛋白到HA/ MoS2-Ti6的平稳转移。通过在不同基质上培养细菌，进一步分析HA/ MoS 2-Ti6与细菌之间的相互作用，发现HA/ MoS 2-Ti具有良好的广谱抗菌性能，此外，HA/MoS 2-Ti6组对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌也有较强的抗菌能力。
【HA/ MoS2-Ti6活化细菌死亡】
与6 h(金黄色葡萄球菌)和12 h(大肠杆菌)共孵育实验表明HA/ MoS 2-Ti6在这些样品中抗菌效果最好。进一步研究证实HA/MoS 2-Ti6具有一定的杀菌能力不是由防污效应和激光诱导结构引起的，它的抗菌活性主要来源于其杀菌能力。
HA/ MoS 2-Ti6和Ti6培养金黄色葡萄球菌基因表达的差异显示上调基因主要富集于质膜呼吸链复合体II、厌氧电子传递链和厌氧呼吸。其杀菌技能可能是细菌粘附在HA/ MoS 2-Ti6表面时，可以有效地产生细胞内ROS，氧化还原平衡状态被破坏，从而起到杀菌作用。
图3 HA/MoS2-Ti6激活细菌死亡
【HA/MoS2-Ti6从细菌中提取电子以改变代谢】
研究团队分析了HA/ MoS 2-Ti6和Ti6两组间基因表达的差异并观察其细胞膜电位。结果发现，金黄色葡萄球菌与HA/ MoS 2-Ti6接触时，其电子通过细菌-半导体界面的内置电场移动到HA/ MoS2-Ti6表面，从而改变了金黄色葡萄球菌的膜电位，细胞膜电位去极化是HA/MoS 2涂层与细菌相互作用的结果，其代谢途径由有氧呼吸转变为无氧呼吸。这些变化破坏了细菌的氧化还原平衡并诱导其细菌代谢途径改变，导致细胞死亡。
图4 HA/MoS2-Ti6从细菌中提取电子
【HA/MoS2-Ti6促进骨髓间充质干细胞成骨分化】
除抗菌能力以外，研究人员还分析了HA/ MoS 2-Ti6的成骨能力。结果发现HA/ MoS 2-Ti6改变了间充质干细胞的膜电位，线粒体膜电位升高， Ca 2+水平远高于Ti6组。当高浓度Ca 2+进入线粒体，调节线粒体代谢，引起线粒体膜短暂去极化，这种来自内质网Ca 2+的波动对细胞增殖发挥了重要的生理作用，细胞内高浓度的Ca2+表明具有很强的成骨分化能力。
HA/ MoS 2-Ti6促进骨细胞的增殖主要是由于线粒体代谢的增强，而不是激光熔覆引起的三维结构。用碱性磷酸酶(ALP)活性测定不同样品的成骨分化能力发现HA -Ti6和HA/MoS 2-Ti6组ALP活性均高于Ti6和MoS 2-Ti6组，这与骨传导性HA和HA/MoS 2-Ti6可增加成骨分化能力的潜能有关，HA/MoS 2-Ti6激活了Wnt/β-catenin和Wnt/Ca2+通路。研究还显示了HA/ MoS2-Ti6组ALP、RUNX2和I型胶原(COL-I)表达水平较高和HA - Ti6组和HA/ MoS 2-Ti6组均表现出高度增强的基质矿化（钙沉积），说明HA/MoS 2-Ti6有益于骨髓间充质干细胞成骨分化。
图5 骨传导HA诱导间充质干细胞的成骨分化和HA/MoS2异质结的固有电位
【HA/MoS2-Ti6在体内的骨整合】
上述结果表明HA/ MoS 2-Ti6体外抗菌和成骨性能优异，接下来进行体内研究。研究团队将假体植入雄性大鼠胫。植入后14天， HA/ MoS 2-Ti6复合涂层具有最好的抗菌效果，植入后的炎症反应要弱得多。在植入4周后，评估了不同样本的骨再生能力，结果表明金黄色葡萄球菌组合HA/ MoS 2-Ti6不含金黄色葡萄球菌组新生骨组织比例和骨接触情况远优于Ti6 + S组。采用HE染色法检测心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏等主要脏器的体内毒性，未发现器官损伤迹象，说明制备的材料没有明显的组织学毒理，具有良好的生物相容性。这些结果表明，合成的HA / MoS 2-Ti6不仅抗菌性能，还具有良好的综合分析，使HA /二硫化钼制备的涂层激光熔覆是一个有效的策略来解决的两个重大关切同时细菌感染和人工植入体骨整合。
图6 HA/MoS2-Ti6在体内的骨整合
【小结】
综上所述，激光熔覆合成的HA/MoS 2涂层利用间充质干细胞和细菌之间的能量代谢差异杀灭致病细菌，同时促进种植体的骨再生。因此，这项工作为设计同时具有高效抗菌活性和成骨能力的多功能骨种植体提供了一种有前景的策略，自激活抗感染种植体的发现有望促进骨科种植体在临床中的发展。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-27217-4
来源：高分子科学前沿
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