解“醚”硬组织修复材料：一种具有双重疗效的聚醚醚酮二微纳米涂层
聚醚醚酮（PEEK）基骨科植入体因其生物惰性的缺点难以满足临床使用要求。以往研究中，常常采用聚多巴胺作为活性涂层，增强植入体表面的细胞和组织黏附和增殖。然而，聚多巴胺作为一种生物高分子，同时也会增加细菌生长与感染风险，易引起细菌黏附以及其生物膜的形成，导致了植入体相关感染问题，从而产生手术成本增加甚至手术失败的严重后果。即便聚多巴胺被证明其具有一定程度的光热性能，但单一的抗菌方式仍不能完全杀灭病菌。此外，光热抗菌过程产生的强烈热效也会不可地避免地造成对植入物生物活性、骨诱导性的负面影响。因此，如何调控骨科植入物表面抗菌能力和生物活性之间的尖锐矛盾是亟待解决的关键科学问题。
图1. 二维纳米涂层的制备过程及其双重治疗效果的示意图。
图2. 近红外照射下的PDT/PTT联合抗菌效果。
近日，为了解决这一问题，邓怡-杨为中联合团队在前期智能聚醚醚酮植入体研发（Chem. Mater. 2020, 32: 2180；ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12: 14971等）的工作基础上，开发了一种兼具高效成骨诱导性能以及光热/光动力（PDT/PTT）联合抗菌的二维磺化聚醚醚酮（SPEEK）基纳米涂层（图1）：以具有三维网络结构的SPEEK为基底，通过π-π堆积和多巴胺超分子聚合过程在氧化石墨烯纳米片表面修饰聚多巴胺纳米涂层，形成氧化石墨烯/聚多巴胺异质结涂层。在近红外光的照射下，不仅氧化石墨烯和聚多巴胺产生叠加的光热效应，而且光电子从聚多巴胺HOMO轨道迁移到LUMO轨道，随后被石墨烯捕获后与环境的氧气反应形成单线态氧，实现PDT/PTT联合杀菌的目的（图2）。进一步在聚多巴胺涂层上键合骨诱导寡肽（BFP），赋予骨诱导性能。来源于骨形态发生蛋白-7（BMP-7）的骨诱导寡肽（BFP），已被证明比BMP-7具有更优异的成骨活性和成骨能力，可以作为成骨诱导剂。该体系在ALP活性、钙结节生成、成骨基因表达与植入后新生骨形成情况（图3）等多个层面上与对照组相比均有显著提升。因此BFP寡肽的引入大大提高了惰性PEEK植入体光杀菌后的生物相容性和骨整合性能。具有以上异质结涂层的生物材料在未引入任何抗菌剂的情况下，实现了对细菌的PDT/PTT高效杀灭，同时仍具有优异的体内的骨修复疗效，推动PEEK植入体在临床上感染性骨缺损病例中的使用脚步。
图3. 体内骨整合评估
以上相关成果以“Two-Dimensional Nano-Coating Enables Orthopedic Implant for Bimodal Therapeutic Applications”为题近期在线发表于Nanoscale。西南医科大学王松副主任医师和四川大学材料学院杨为中教授等为该论文共同第一作者，四川大学邓怡副研究员为通讯作者。四川大学本科生高翔宇对论文的实验部分以及排版工作做出了重要贡献。本研究工作得到国家自然科学基金（81801848, 81961160736）、四川省科技厅项目（2017FZ0046, 2018JZ0026）、成都市国际合作项目（2017-GH02-00025-HZ）、四川大学高分子材料工程国家重点实验室自主课题（sklpme2019-2-05）、四川省-泸州市-西南医科大学联合基金（14JC0038）等的资助。
全文链接：
https://doi.org/10.1039/D0NR02327B
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