鑽石舞台

背景介紹

超聲響應的聚合物微膠囊可用於蛋白質、核酸、多肽等生物大分子的遞送。然而，微膠囊在實際藥物遞送時的效果極大的受到藥物分子量的制約，特別是小分子藥物泄漏的問題，不但會在活體內引起毒副作用，同時降低了藥物在目標點的累積濃度與治療效果。

成果簡介

我們合成了一種納米藥物，即萬古黴素-金納米藥物，用於克服小分子藥物泄露的問題與可控釋放的研究。研究中，萬古黴素小分子藥物以共價鍵的方式連接於金納米粒子表面，展現出良好的抗菌活性，其藥效沒有到受金納米粒子的影響。該納米藥物可被包裹於聚電解質微膠囊內用於藥性的物理抑制與無泄露遞送。同時，納米藥物與微膠囊構成的遞送系統展現出了超聲響應性，在超聲場作用下可實現納米藥物的活化與可控釋放。

作者簡介

Andreas Herrmann教授是亞琛工業大學大分子化學與技術研究所，同時擔任亞琛工業大學化學系主任和德國萊布尼茨交互材料研究所所長。課題組的研究方向為DNA組裝材料、超電荷聚多肽、以及超聲化學等。

課題組鏈接：https://www.dwi.rwth-aachen.de/en/person/prof-dr-andreas-herrmann

J. Fan, M. Xuan, P. Zhao, et al. Ultrasound responsive microcapsules for antibacterial nanodrug delivery. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4919-9.

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背景介紹

細菌感染引起嚴重的炎症反應阻礙了種植體與宿主組織的骨整合。據報道細菌感染導致的種植體失敗率達2%-5%，修復或移除感染種植體時患者遭受了身體上的痛苦和經濟上的負擔。物理輔助殺菌避免了抗生素治療的過敏和耐藥菌產生等諸多弊端，成為近年來的研究熱點。其中，可控、無創和可重複的光熱抗菌被廣泛報道，然而研究者們的關注點主要集中在抗菌效果上，對於光熱滅菌後感染種植體的免疫反應和隨後的組織整合很少有系統的報道。

研究方法

利用微弧氧化法在鈦種植體表面製備Si/P離子摻雜的微/納米多孔TiO2塗層，探究近紅外照射下塗層對金黃色葡萄球菌的光熱抗菌性能，揭示滅活細菌後的TiO2塗層的免疫調節和骨整合行為。

成果簡介

在TiO2塗層製備過程中，Si4+和P5+取代Ti4+摻雜到TiO2晶格中，Si-O和P-O的鍵長比Ti-O短，導致TiO2晶格畸變和帶隙變窄，從而增加了TiO2塗層在近紅光區內的吸收，提高了其光熱響應。近紅外照射TiO2塗層10min後，其表面的細菌幾乎全部被殺死。巨噬細胞首先識別出滅活細菌的肽聚糖，顯示M1表型，隨後釋放的Si/P離子、TiO2納米尺寸及微/納米多孔形貌幫助M1巨噬細胞清除細菌，並及時促進巨噬細胞M1-M2表型轉換,抑制組織發生嚴重的炎症反應。同時，Si/P離子及巨噬細胞分泌的炎性細胞因子加速了骨髓間充質幹細胞的招募、增殖和分化。在體內，TiO2塗層可以通過近紅外照射殺滅附着的細菌，並在一周內實現免疫調節，加速接觸成骨和誘導成骨。

圖文導讀

微弧氧化法可在鈦種植體表面直接得到Si/P離子摻雜的微/納米多孔TiO2塗層，Si/P離子摻雜引起TiO2晶格畸變或缺陷，賦予TiO2在近紅外光照射下具有良好的光熱殺菌性能；巨噬細胞吞噬金黃色葡萄球菌並分泌促炎細胞因子招募骨髓間充質幹細胞的同時，TiO2塗層釋放的Si/P離子以及微/納米多孔形貌可進一步誘導其向M2表型極化；Si/P離子以及巨噬細胞分泌的細胞因子上調骨髓間充質幹細胞行為，最終加速骨整合（示意圖如上圖）。

如上圖所示，在TiO2塗層表面孵育不同濃度的金黃色葡萄球菌1天後，對試樣進行近紅外照射10 min進行殺菌處理，可得到載有不同數量金黃色葡萄球菌的樣品，並命名為MSx，其中x為細菌懸浮液的初始濃度。圖a顯示，相對於純鈦，TiO2塗層（MA）對細胞增殖略有促進作用；隨着塗層表面細菌數量的增加，巨噬細胞活力明顯提高，然而當塗層表面存在大量細菌時（如MS8），巨噬細胞增殖明顯降低，細胞活/死染色（圖b）進一步證實了這一點。巨噬細胞在純鈦表面上呈球形，且分泌的促炎細胞因子略高，表明其為M1表型；而MA上的細胞呈多邊形形態，抗炎細胞因子表達水平顯著高於其餘各組，表明其為M2表型；隨着孵育時間的延長，MS6上的細胞逐漸從球形變成多邊形形態，促炎細胞因子的表達水平逐漸減少，抗炎細胞因子的表達水平逐漸增加，表明細胞表型由M1向M2轉變（圖b、c及d）。

如上圖所示，利用Transwell膜構建巨噬細胞和骨髓間充質幹細胞共培養模型（a）。與純Ti相比，TiO2塗層（MA）可募集較多的骨髓間充質幹細胞，且MS6募集的幹細胞最多（圖（b））。利用各試樣表面巨噬細胞的條件培養基孵育幹細胞，圖（c）顯示MS6組幹細胞線粒體活性高於MA組，遠高於純Ti組，圖（d）的活/死染色進一步證實了這一點。圖（e）和（f）顯示MA和MS6組幹細胞的成骨分化遠高於Ti組。Si/P離子及巨噬細胞分泌的炎性細胞因子加速了骨髓間充質幹細胞的招募、增殖和成骨分化。

如圖所示，感染的種植體經過近紅外滅菌後，其表面在Si/P離子、TiO2納米尺寸及微/納米多孔形貌的協同作用下，接觸成骨和誘導成骨能力明顯優於純鈦種植體。

作者簡介

第一作者：薛陽

博士研究生、西安交通大學金屬強度國家重點實驗室，研究方向為鈦表面功能塗層的製備及細胞組織響應。

通訊作者：張蘭

博士、西安交通大學金屬強度國家重點實驗室教授、博士生導師。2010年3月獲西安交通大學材料學專業博士學位。陝西省傑出青年基金獲得者，現任中國生物材料學會醫用金屬材料分會委員。主要研究方向為醫用金屬表面功能塗層的設計、形成機制及性能。主持了國家自然科學基金項目3項、其他省部級項目6項。以第一作者或通訊作者在Bioactive Materials、Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials & Interfaces、Advanced Healthcare Materials等期刊上發表論文30餘篇，授權國家發明專利8項，其中技術轉讓3項。

通訊作者：憨勇

博士、西安交通大學金屬強度國家重點實驗室教授、博士生導師。西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室副主任（2002年至今）。2001年入選教育部「跨世紀優秀人才計劃」，2005年受聘國務院特殊津貼專家，2011年入選陝西省「三五」人才，2012年受聘陝西省「三秦」人才，2007年任西安交通大學「騰飛人才計劃」特聘教授，2014年任西安交通大學二級教授。擔任中國生物材料學會常務理事、中國生物材料學會科技成果評價工作委員會主任委員、中國生物材料學會醫用金屬材料分會副主任委員及侯任主任委員、中國材料研究學會理事、中國機械工程學會表面分會「生物材料表面工程專業委員會」副主任、中國生物醫學工程學會生物材料專業委員會委員；Bioactive Materials編委；國家自然科學基金委會評專家、國家重點研發計劃會評專家。主要從事人體骨、關節、牙等硬組織修復材料研究，作為項目負責人主持科研項目20餘項（經費1800餘萬元），包括國家973計劃項目課題1項、863計劃項目2項（其中重點課題1項）、國家自然科學基金重點項目1項及面上項目7項等。以第一獲獎人獲2006年陝西省科學技術一等獎1項、2010年陝西省科學技術二等獎1項，以第四獲獎人獲2004年機械部科技進步二等獎1項。發表SCI收錄論文230餘篇，授權發明專利21件。

Y. Xue, L. Zhang, F. Liu, et al. Immunomodulation and osteointegration of infected implants by ion-riched and hierarchical porous TiO2 matrix. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-5036-5.

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