Small丨四川大学周雪梅/向琳合作通过光电子疗法预防钛植入物细菌生物膜的形成

iNature · 公众号 · · 2025-01-04 08:54

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钛植入物表面的外源性细菌感染和生物膜形成会影响与成骨相关的细胞粘附、增殖和分化，最终导致手术失败。

2024年12月26日，四川大学周雪梅、向琳共同通讯在 Small 在线发表题为 “ Photoelectron Therapy Preventing the Formation of Bacterial Biofilm on Titanium Implants ” 的研究论文。 该研究侧重于生物膜形成的两个关键阶段：i）细菌粘附和聚集；ii）生长和增殖。

首先用氮掺杂剂对二氧化钛纳米管阵列的钛进行改性，然后负载CuFeSe ₂ 纳米颗粒形成p-n异质结。这种异质结可以有效地分离CuFeSe ₂ 产生的电子和空穴，在NIR激发下，CuFeSe ₂ 作为贴壁细菌的电子受体，破坏呼吸链并影响新陈代谢。 结合溶液中释放的离子和光热效应，在这两个阶段均预防钛植入物表面细菌生物膜的形成。

钛（Ti）具有优异的骨结合特性和生物相容性，被广泛用作骨科和医疗植入物。据报道，植入过程中细菌感染的发生率超过20%，可能导致植入失败。 在细菌感染中，细菌会形成一个称为生物膜的细菌菌落，该菌落藏匿细菌，促进持续感染，并干扰免疫细胞、抗生素和其他药物的作用。 此外，细菌生物膜的存在会破坏正常成骨细胞的粘附、增殖和分化，导致植入物骨整合不良并阻碍植入物周围的新骨形成。因此，预防和干预生物膜形成非常重要。一般来说，生物膜的形成可分为三个阶段：i）浮游细菌的初始附着和聚集；ii）生长和积累；iii）扩散和分离。通过中断前两个阶段，可以有效抑制生物膜的生长和扩散。

临床上，抗生素等化学抗菌剂可用于防止生物膜形成或炎症，但通常会导致细菌耐药性。材料表面处理通常包括使用杀菌剂（如金属、有机化合物和杀菌剂）和微表面改性预防细菌生长。 已有技术中，具有功能性钛表面的光化学疗法可以达到抗菌效果，而不会产生细菌耐药性和药物毒性。

光化学疗法包括使用光热剂（PTA）的光热疗法（PTT）和光动力疗法（PDT），作为一种无创、靶向和灵活的治疗方法，近年来已取得很好的抗菌效果。 NIR辐照可实现高组织穿透性和低生物毒性，基于NIR辐射的光化学疗法在生物膜根除方面具有广阔的临床应用潜力。对于PTT治疗，应充分调整温度以尽量减少对正常生物体的潜在危害。而PDT需要大量的活性氧（ROS）来消除细菌，可能会导致正常细胞发炎、纤维化甚至坏死。

图1 CFSx/N-SNT的合成及表征 （摘自 Small ）

细胞外电子转移（EET）疗法通过直接中断呼吸链来影响细菌存活，弥补了PDT和PTT引起的负面影响。 细菌外膜呼吸链通过连续的电子流确保为代谢过程提供足够的能量供应。因此，作为电子受体的功能表面涂层可能会干扰细菌呼吸链，从而影响细菌代谢。如Ag纳米颗粒在TiO ₂ 表面形成肖特基势垒，允许TiO ₂ 接受来自细菌的电子并诱导细菌死亡。此外，MoS₂、Co ₃ O ₄ / TiO ₂ 和黑色TiO ₂ 等表面的电子缺陷可以充当电子受体，增强电子转移并帮助根除细菌。 因此，构建可以供给/接受电子的表面对于制备抗菌植入物至关重要。

CuFeSe ₂ （CFS）作为过渡金属硒化物（TMS），是一种具有窄带隙和高电子导电性的p型半导体。 基于其光热转换效率和过氧化物酶活性，CFS广泛用于光热癌症和细菌感染治疗，该研究合成了CFS并通过化学浴沉积法将其固定在TiO ₂ /Ti表面。TiO ₂ /Ti是指钛植入物上阳极间隔的TiO ₂ 纳米管阵列（SNT），可作为功能化支架增强与成骨细胞的生物相容性，并具有自组织的1D纳米管阵列结构，可促进管壁内电子和空穴的空间正交分离，即电子在中心积累，并在空穴被驱动到管壁时传输到纳米管底部。为促进SNT和CFS之间的电子转移，在TiO ₂ /Ti中掺杂N以增强电子导电性。 NIR光可以激活这种p-n异质结，并利用常见菌株大肠杆菌（E.coli）和金黄色葡萄球菌（S.aureus）以及抗生素耐药细菌耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）研究了其在体内和体外抑制生物膜形成的能力。

参考消息：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202409824

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