种植体相关的感染(IAI)已成为生物材料最常见和最严重的并发症之一,据估计,其发病率在未来几十年还会逐年攀升。当前,抗生素治疗是最常见的IAI治疗方法,然而置换手术仍不能避免感染的风险,并且还可能引发细菌的反复感染,导致超级耐药菌的产生。因此,急需发展一种兼具高效杀菌和成骨能力的种植体。近年来,特种高分子材料聚醚醚酮(PEEK)受到越来越多的骨植入研究人员的热爱,由于其力学性能更加接近人皮质骨相比于传统骨植入体。不幸地是,PEEK本身不具有抗菌能力,其成骨性能也难以达到预期效果。因此,赋予PEEK种植体高效反复抗菌和成骨性能是拓宽PEEK材料在骨植入领域应用的关键。


具循环抗菌和骨整合功能!川大研制了令人着“醚”的光触杀菌植入体


图1:PEEK表面CuFe2O4/GO异质结改性及其应用示意图


近日,针对上述科学难题,四川大学化工学院邓怡团队在前期PEEK基特种医用高分子表界面研究的基础上,制备了一种新型铁酸铜/氧化石墨烯生物异质结涂层(CuFe2O4/GO heterojunction coatings)在PEEK基植入体表面,赋予PEEK种植体兼具循环抗菌和骨整合功能(图1)。通过聚多巴胺的黏附作用,将异质结涂层修饰到多孔的磺化聚醚醚酮表面。在近红外光照射下,异质结涂层不但能够产生高热实现光热治疗(PTT),而且能产生单线氧(1O2)实现光动力治疗(PDT)。此外,在细菌感染的微环境(pH低,H2O2含量高),异质结中的Fe、Cu元素释放量明显增加,一方面引发(类)芬顿反应产生羟基自由基(·OH)从而实现化学动力治疗(CDT),另一方面促进种植体与周围骨组织整合。实验结果表明,在808纳米近红外光照射10分钟后,种植体表面的细菌能够被高效的清除,显示出优异的抗菌作用(图2)。


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图二:光杀菌细菌评价


除了具有快速的细菌清除能力,修饰在PEEK表面的异质结涂层也表现出良好的生物相容性和成骨潜能。综上所述,该新型CuFe2O4/GO生物异质结涂层赋予了PEEK植入体优异的多重光热/光动力/化学动力协同抗菌特效,大大拓宽了PEEK植入体在感染性骨缺损修复领域的临床应用,避免了抗生素耐药菌的科学难题。


以上相关成果以“Copper ferrite heterojunction coatings empower polyetheretherketone implant with multi-modal bactericidal functions and boosted osteogenicity through synergistic photo/Fenton-therapy”为题在线发表于Chemical Engineering Journal (doi.org/10.1016/j.cej.2021.130094)。四川大学化工学院研究生张俊川为该论文第一作者,四川大学化工学院邓怡副研究员和四川大学华西口腔医学院谢璐博士为通讯作者。本研究工作得到国家自然科学基金 (81961160736, 81801848, 52002255)、四川省科技厅科研项目 (2018JZ0026, 2021YJ0049, 2019YJ0141)、中科协青年人才托举工程计划、成都市国际合作项目 (2017-GH02-00025-HZ, 2020-GH03-00005-HZ)、川大高分子材料工程国家重点实验室自主课题(sklpme2019-2-05)、川大青年科技学术带头人培育项目等的资助。


文章来源: 四川大学

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