电院崔大祥和张春雷团队在ACS Nano发表钛植入物表面仿生改性的封面论文

近日，电子信息与电气工程学院感知科学与工程学院纳米生物医学工程研究所崔大祥教授和张春雷助理研究员在美国化学会纳米领域旗舰期刊《ACS Nano》发表研究成果《Biomimetic Self-Assembling Metal–Organic Architectures with Non-Iridescent Structural Coloration for Synergetic Antibacterial and Osteogenic Activity of Implants》（《仿生金属-有机配位自组装涂层用于金属植入物的表面抗菌与促成骨改性》），并被遴选为当期封面论文。

这项研究提出了一种易于操作的钛植入物表面改性方法，通过金属-有机配位驱动的自组装过程，系统整合模块化的金属-羧酸和金属-有机磷酸配位作用，在钛植入物表面依次构建Au₂₅(MHA)₁₈(MHA，6-巯基己酸)纳米团簇自组装结构色涂层和植酸(Phytic acid, PA)-金属配位配合物涂层，该金属-有机配位涂层不仅有助于改善骨-植入物界面的物理化学性质，还具有协同抗菌和骨整合生物活性。

研究背景

生物医学用金属植入物主要由钛及其合金制成，这是由于钛具有良好的生物相容性、优异的机械性能和耐腐蚀性。然而，植入物相关感染和无菌性松动两大并发症导致的植入物内固定失效已成为临床上棘手的难题。虽然目前临床上使用的抗生素能够治疗发生的感染，但频繁使用抗生素会导致微生物的耐药性问题。此外，感染发生和植入物界面骨整合其实是相互竞争的关系，感染会破坏金属植入物与骨的整合，而良好的骨整合会抑制细菌黏附于材料表面，从而减少感染的发生。因而，一个理想的骨科植入物需要同时具备良好的抗菌性与骨整合特性，从而取得长期稳定的内固定效果。构筑具有高效抗菌功能及骨整合能力的医用材料表面是解决这一难题的关键和有效途径。

研究概况

生物体中的材料所具有的多功能和可编程的相互作用为仿生材料学的发展提供了众多的研究范例和灵感来源。本研究首先基于雄性东部蓝知更鸟蓝色羽毛的非虹彩结构色，开发了一种基于Au₂₅(MHA)₁₈纳米团簇的非晶光子结构色涂层构建技术，并通过同步辐射掠入射广角X射线散射(GIWAXS)证明了涂层中纳米团簇的短程有序排列规律和各向同性的特征。稳定的M-O（M=Ti、Zr、Hf）和不够稳定的Cu-O配位键与Au₂₅(MHA)₁₈纳米团簇的高连通性相结合，使该仿生光子结构能够实现机械稳定性和抑菌活性的结合。

此外，受贻贝足丝（Mussel byssus）粘附作用的启发，本研究还开发了植物来源的植酸分子与Fe³⁺配位形成超分子配位聚合物涂层，该无色透明的植酸-金属配合物涂层赋予植入物表面优异的亲水润湿性，并促进了植入物-骨界面的生物矿化。

研究思路示意图

该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、上海交大医工交叉基金等项目支持。第一作者为张春雷助理研究员，通讯作者为上海交大张春雷助理研究员、以色列理工学院Hossam Haick教授、上海交通大学附属第六人民医院陈云丰主任医师和上海交大崔大祥教授。

论文链接（或点击左下角“阅读原文”）

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c06030

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来源丨感知科学与工程学院

文稿丨张春雷

 编辑 | 孟娴

责任编辑 | 张悦