摘要
Implants of titanium(Ti)and its alloys have been widely used for decades in bone tissue engineering.Orthopedic implantation is unavoidably accompanied by bacterial infection,which requires extensive surgical intervention and antibiotic therapy.These infections increase the risk of implant failure and bone loss and can result in limb amputation in severe cases.Repeated antibiotic treatment also induces irreversible drug resistance in humans[1,2].Studies designed to optimize Ti containing implants have focused on surface modification or improvements of topological structures.Modified implants can induce stem cell differentiation and bone regeneration[3].However,designing implants that resist colonization by bacteria has not been explored extensively.
钛合金植入体具有良好的生物相容性和化学稳定性,广泛应用于整形外科手术.植入手术细菌感染风险较高,若处理不当,易造成患者骨组织损失甚至截肢.光催化杀菌是光催化领域研究热点之一,光催化剂表面产生的活性氧物种(ROS)氧化能力强,可有效杀灭细菌.制备生物相容性好且光催化活性高的植入体,利用光催化技术,可实现术后植入体表面自主产生抗菌活性,同时诱导骨组织细胞原位生长和成骨.二氧化钛(TiO_(2))光催化剂化学稳定性好,原料易得,具有一定的生物相容性,但其光生电子与空穴易复合,光催化抗菌活性弱.石墨炔(GDY)是新兴的电子助催化剂,具有独特的sp和sp2杂化碳原子,可以捕获TiO2的光生电子,促进光生电子/空穴分离和ROS生成.基于此,张玉峰教授(武汉大学)和余家国教授(武汉理工大学)近期报道了一种新型的具有光催化生物活性的TiO2/GDY复合植入体(Nat.Commun.,2020,11,4465).它由带正电的TiO2纳米纤维和带负电的GDY纳米片通过静电自组装而成.在紫外光照射下,TiO2/GDY植入体能够产生羟基自由基(•OH),超氧阴离子(•O^(2‒))和过氧化氢(H_(2)O_(2))等活性氧物种.原位生成的活性氧物种具有较强的氧化能力,可以破坏抗药性金黄色葡萄球菌(MRSA)的生物膜,还能抑制MRSA新细菌生物膜的形成和代谢.光照生成的H_(2)O_(2)具有持续缓释特性,在紫外光移除后,TiO_(2)/GDY植入体仍显示出长期的抗菌活性.此外,TiO_(2)/GDY具有良好的生物相容性和亲水性,有效吸附小鼠成骨细胞并诱导产生骨骼分化所需的蛋白质和酶,表明TiO_(2)/GDY纳米纤维具有良好的诱导骨组织生长能力.该工作创新性地将光催化技术应用于骨科植入体,提出了植入体原位光催化杀菌和诱导骨组织生长的新思路,实现了材料学和医学的交叉融合,为开发其他高效植骨材料提供了有益借鉴.
基金
阿卜杜勒阿齐兹国王大学DSR资助项目(RG-50-130-41).
