在骨科和口腔種植領(lǐng)域，植入物相關(guān)感染與骨整合不良始終是亟待突破的兩大難題。如何在確？咕阅艿耐瑫r(shí)，兼顧成骨活性，并實(shí)現(xiàn)涂層的穩(wěn)定性與通用性，是長期制約該領(lǐng)域發(fā)展的“卡脖子”基礎(chǔ)科學(xué)問題。由于微生物入侵和宿主細(xì)胞定植之間存在生物學(xué)沖突，導(dǎo)致植入體面臨感染風(fēng)險(xiǎn)與骨結(jié)合障礙的雙重挑戰(zhàn)。然而，傳統(tǒng)的接觸型抗菌涂層往往存在對哺乳動(dòng)物細(xì)胞活性產(chǎn)生負(fù)面影響的風(fēng)險(xiǎn)，限制了其臨床應(yīng)用的前景。
針對上述難題，北京化工大學(xué)徐福建教授、段順教授課題組聯(lián)合首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京口腔醫(yī)院孫玉潔副主任醫(yī)師團(tuán)隊(duì)，在前期提出的仿生“胺介導(dǎo)的多酚自聚涂層”策略（J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 20144?20158）基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地提出通過調(diào)控種植體表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)菌在界面上的競爭性行為，以實(shí)現(xiàn)“高效抗菌”與“優(yōu)良細(xì)胞相容性”的協(xié)同調(diào)控，成功突破了該領(lǐng)域長期存在的性能矛盾。相關(guān)研究成果近期發(fā)表于Advanced Materials。該論文第一作者為北京化工大學(xué)2025屆博士畢業(yè)生孫美州（石河子大學(xué)定向培養(yǎng)師資博士研究生），共同第一作者為首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京口腔醫(yī)院博士生徐弛。北京化工大學(xué)博士研究生吳若楠、碩士畢業(yè)生楊千對于本研究亦有重要貢獻(xiàn)，北京化工大學(xué)丁小康教授、趙娜娜教授、首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京口腔醫(yī)院耿威主任醫(yī)師也對本論文提供了大力支持。該研究受到國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目的支持。
圖1 抗菌季銨基團(tuán)/促骨結(jié)合活性磷酸基團(tuán)調(diào)控聚多酚表面性質(zhì)
本研究提出了一種具有理論原創(chuàng)性與工程適配性的表面化學(xué)調(diào)控策略，實(shí)現(xiàn)了高選擇性抗菌與成骨誘導(dǎo)性能的協(xié)同兼顧。該策略以“表面競爭”理論為出發(fā)點(diǎn)，精準(zhǔn)調(diào)控植入體表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)，使其在細(xì)菌與宿主細(xì)胞競爭性定植的關(guān)鍵窗口期，助力哺乳動(dòng)物細(xì)胞贏得“界面占領(lǐng)權(quán)”。
研究中，團(tuán)隊(duì)通過便捷的多酚-胺介導(dǎo)共價(jià)修飾技術(shù)，將季銨基團(tuán)（Q）與磷酸基團(tuán)（A）協(xié)同引入植入體表面，構(gòu)建了具備雙功能調(diào)控能力的Ti-AQ復(fù)合涂層。季銨基團(tuán)作為接觸性抗菌結(jié)構(gòu)，可通過電荷作用與膜破壞機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對細(xì)菌的快速殺滅；而磷酸基團(tuán)則可模擬骨外基質(zhì)中天然的成骨信號，誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）黏附、增殖與成骨分化，且不影響其抗菌性能。重要的是，該研究通過系統(tǒng)調(diào)控Q/A比例，獲得了性能最優(yōu)的Ti-AQ-2組涂層，在不釋放殺菌劑的條件下，實(shí)現(xiàn)了對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌超99%的殺滅率，并顯著提升成骨相關(guān)基因表達(dá)和骨形成能力。
在機(jī)理層面，研究系統(tǒng)揭示了表面化學(xué)結(jié)構(gòu)調(diào)控生物界面響應(yīng)的多層次作用路徑：抗菌方面，Ti-AQ-2通過抑制細(xì)菌細(xì)胞壁合成、干擾其代謝途徑、降低ATP水平，破壞其膜結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高效殺菌；成骨方面，涂層通過磷酸基團(tuán)螯合鈣離子，建立局部高鈣微環(huán)境，進(jìn)一步通過激活Ca2?通道引發(fā)CaM/CAMKII信號通路，驅(qū)動(dòng)BMSCs成骨分化。該機(jī)制經(jīng)轉(zhuǎn)錄組學(xué)、熒光探針、Western blot等多種技術(shù)路徑得到系統(tǒng)驗(yàn)證，建立了“磷酸基團(tuán)—鈣離子信號—成骨分化”這一新型表面誘導(dǎo)機(jī)制模型。
除此之外，研究還發(fā)現(xiàn)Ti-AQ表面可誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞向修復(fù)型M2表型極化，形成有利于骨愈合的免疫微環(huán)境，將抗感染-促成骨-免疫調(diào)控三者功能統(tǒng)一于同一表面設(shè)計(jì)中，為構(gòu)建多功能一體化的新型植入體提供了新范式。在口腔種植體感染動(dòng)物模型中，Ti-AQ-2在體內(nèi)亦展現(xiàn)出優(yōu)異的抗感染能力和骨整合性能，證實(shí)其長期生物學(xué)穩(wěn)定性與應(yīng)用前景。
圖2 A）Ti和Ti-AQs表面S. aureus和E. coli后的膜通透染色圖。B-C）Ti和Ti-AQs表面S. aureus的轉(zhuǎn)錄組學(xué)圖。D）Ti-AQ-2材料表面細(xì)菌的TEM圖像和AFM圖像。E）Ti-AQ-2表面S. aureus和E. coli的ATP含量。F）Ti和Ti-AQ處理E.coli的抗菌機(jī)制圖。
圖3 A）在Ti和Ti-AQs表面上培養(yǎng)3天，7天和14天的BMSCs中相關(guān)基因表達(dá)水平的熱圖。B-D）鈣離子通路抑制劑NIF抑制后BMSCs的成骨基因和相關(guān)蛋白表達(dá)的Weston blot圖像；E）Ti-AQ表面促進(jìn)成骨作用的機(jī)制示意圖。
圖4 A）感染性口腔種植模型的建立過程。B）Ti和Ti-AQ種植體周圍H&E染色圖片；C-D）Ti和Ti-AQ-2植入體周圍新生骨組織的定性與定量。
總體而言，該研究從基礎(chǔ)理論出發(fā)，系統(tǒng)構(gòu)建了“表面化學(xué)結(jié)構(gòu)調(diào)控—細(xì)菌/細(xì)胞競爭響應(yīng)—成骨機(jī)制激活”的理論-機(jī)制-功能三位一體創(chuàng)新體系，提出了一種可廣泛適用于醫(yī)用金屬表面的功能涂層構(gòu)建策略。該策略以精準(zhǔn)表面化學(xué)調(diào)控為核心，兼顧殺菌選擇性、生物相容性與骨整合性能，為未來骨科與口腔植入材料的臨床轉(zhuǎn)化提供了重要的理論依據(jù)與工程路徑。
針對植入材料表面細(xì)胞-細(xì)菌競爭性定植這一關(guān)鍵科學(xué)問題，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)構(gòu)建了一類具有抗菌與成骨雙重功能的涂層。團(tuán)隊(duì)先后提出了仿生“胺介導(dǎo)多酚自聚涂層”策略（J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 20144?20158），發(fā)展了同時(shí)具備抗菌和促細(xì)胞黏附功能的表面活化方法（Adv. Funct. Mater. 2025, 2423639），并進(jìn)一步在多種基材上驗(yàn)證了該策略的普適性與適配性，包括在纖維膜表面實(shí)現(xiàn)抗菌-促成骨功能的協(xié)同（Chem. Eng. J. 2024, 490, 1385–8947）。這一系列工作不僅拓展了多酚類分子在生物醫(yī)用材料表面功能化中的應(yīng)用，也為植入材料表界面調(diào)控機(jī)制的深入研究提供了新思路。
原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202506113
- 北化徐福建/段順、北京口腔醫(yī)院孫玉潔團(tuán)隊(duì) JACS: 殺菌/促骨整合仿生多酚涂層的化學(xué)結(jié)構(gòu)調(diào)控 2025-05-31
- 北化張好斌教授《ACS Nano》：基于化學(xué)結(jié)構(gòu)調(diào)控策略實(shí)現(xiàn)氧化石墨烯自發(fā)規(guī)整組裝 2022-05-27
- 武漢理工趙政教授團(tuán)隊(duì) Int. J. Biol. Macromol.：3D打印壓電催化水凝膠用于感染傷口的高效抗菌治療 2024-05-11
- 四川大學(xué)王玉忠/付騰團(tuán)隊(duì) ACS Materials Lett.：高效抗菌防污、高阻燃性乙烯基酯樹脂復(fù)合材料 2024-01-25
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