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具有抗菌和成骨活性的的近红外碳点用于感染性骨缺损声动力治疗

BCML速递 · 公众号 · · 2024-10-25 23:15

主要观点总结

本文介绍了基于生物材料植入物的骨组织重建技术，特别是针对感染性骨缺损修复的挑战。研究团队通过调节二维石墨烯衍生的二维碳点（CD）的表面官能团，成功合成具有成骨分化活性和声动力抗菌性能的近红外CD（NIR-CD）。NIR-CD被用于构建3D可注射水凝胶，可用于感染骨缺损的可视化修复。NIR-CD具有高效的声动力抗菌活性、加速骨缺损修复能力和近红外成像能力。

关键观点总结

关键观点1: 研究背景

介绍骨组织重建的重要性，特别是感染性骨缺损修复面临的挑战。

关键观点2: 研究核心

研究团队通过调节CD的表面官能团，成功合成具有三重功能的NIR-CD，包括声动力抗菌活性、加速骨缺损修复能力和近红外成像能力。

关键观点3: 实验方法

研究团队通过一系列实验表征NIR-CD的理化性质，并探究其抗菌活性、成骨活性和体内修复效果。

关键观点4: 实验结果

NIR-CD展现出高效的抗菌活性、成骨活性和良好的体内修复效果。在体外实验中，骨髓间充质干细胞的碱性磷酸酶活性明显升高，体内成像系统成功监测NIR-CD的释放行为。

关键观点5: 研究意义

该研究为骨组织工程提供了可追踪、可再生、可修复和抗菌的候选生物材料，为感染性骨缺损修复提供了一种新的治疗方法。

正文

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基于生物材料植入物的骨组织重建是治疗由畸形、肿瘤、感染等引起的大面积骨缺损的有效治疗方法。感染性骨缺损修复面临的主要挑战在于支架材料较低的成骨活性以及顽固细菌感染。此外，支架材料的降解速率对骨缺损修复有很大影响，因此，动态监测骨缺损部位支架材料的降解动力学至关重要。由二维石墨烯衍生而来的二维碳点（CD）不仅保留了石墨烯的主要特性，而且具有新颖的物理化学性质和独特的生物活性。一方面，CD尺寸很小，可以通过肾脏清除快速排泄到体外，而不会在主要器官中长期积累造成明显的毒性。另一方面，CD还具有半导体发光特性，其荧光发射可以通过尺寸和化学修饰来调节。更重要的是，CD可以通过调节其表面结构来获得新的生物学功能，如抗菌和成骨活性。为此，上海交通大学沈龙祥教授和上海大学潘登余、耿弼江教授首次通过调节表面官能团成功合成了具有成骨分化活性和声动力抗菌性能的近红外CD(NIR-CD)，通过构建NIR-CD包封的3D可注射水凝胶(NIR-CD/GelMA)，可用于感染骨缺损的可视化修复。

首先，研究人员对合成的NIR-CD进行了理化性质表征。高分辨透射电镜和XRD表明NIR-CD具有典型的碳点晶格条纹结构，及类似于石墨烯的结构。进一步，研究人员发现NIR-CD的表面电荷约为−22.7 mV，而先前报道表明带负电荷的CD比带正电荷的CD表现出更高的成骨活性。此外，NIR-CD具有优异的近红外荧光成像能力，发射峰在750 nm处（图1）。

接着，研究人员探究了NIR-CD的声动力抗菌能力。研究人员通过测定其对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和MRSA三种细菌的生长抑制曲线，进行抗菌活性研究。结果表明在US照射下，200 μg mL ⁻¹ 的NIR-CD可以完全抑制MRSA等细菌的生长，证实了NIR-CD有效的声动力抗菌活性。随后，标准菌落计数法也证实了NIR-CD的声动力抗菌能力。通过细菌SEM表征，研究人员揭示NIR-CD介导SDT的抗菌机制。在NIR-CD和US照射下，三种细菌均出现细胞壁起皱和细菌变形等变化，证明了NIR-CD对细菌壁的破坏作用（图2）。

随后研究人员对NIR-CD的体外成骨活性进行探究。共培养14天后，骨髓间充质干细胞的碱性磷酸酶活性明显升高。茜素红 (ARS)染色结果表明，NIR-CD (400 μg mL ⁻¹ )组可以检测到最明显的矿化基质。以上结果均表明NIR-CD具有高效的成骨活性（图3）。

在证实NIR-CD具有良好的抗菌和成骨活性后，研究人员利用小鼠颅骨感染缺损模型进一步研究其体内修复效果。首先，研究人员将NIR-CD、光引发剂和GelMA进行光聚合形成NIR-CD/GelMA水凝胶。随后，研究人员对其溶胀率和动力学进行了简单的研究。接着，研究人员对NIR-CD在水凝胶中的声动力抗菌性能进行了探索。结果表明NIR-CD包封的GelMA水凝胶加上US照射，琼脂板上MRSA、大肠杆菌和金葡菌菌落显著减少，表明其卓越的抗菌活性。ARS染色和ALP活性实验也证实了NIR-CD/GelMA水凝胶仍然具有良好的成骨活性。最后，研究人员将NIR-CD/GelMA植入到缺损部位，利用体内成像系统检测植入部位荧光强度的变化，监测NIR-CD的释放行为。植入30天后，植入部位未观察到NIR-CD的近红外荧光信号，说明NIR-CD已完全从水凝胶中释放出来。此外，NIR-CD/GelMA + US组的骨缺损几乎完全愈合，H&E和Masson染色结果也表明该组的新生骨更多（图4，5）。

总的来说，通过合理调节其表面官能团，该团队首次合成了具有三重功能的单一纳米材料NIR-CD。NIR-CD的三重功能：高效的声动力抗菌活性、加速骨缺损修复能力和用于感染性骨缺损可视化治疗的近红外成像能力。该研究将为骨组织工程提供可追踪、可再生、可修复和抗菌的候选生物材料。

本研究由上海交通大学沈龙祥教授和上海大学潘登余、耿弼江教授合作完成。于2024年9月19在线发表于Small。

文献信息：Jianfei Tang, Jinyan Hu, Xue Bai, Yang Wang, Jinming Cai, Zhenlin Zhang, Bijiang Geng*, Dengyu Pan*, and Longxiang Shen*. Near-Infrared Carbon Dots With Antibacterial and Osteogenic Activities for Sonodynamic Therapy of Infected Bone Defects. Small 2024, 19: e2404900.

供稿：陈强龙

审校：马进进

编辑：石家旭