复合水凝胶钛基涂层的制备及在抗生物膜感染和抗炎方面的应用

　　第一作者：丁瑶
　　通讯作者：刘鹏，蔡开勇
　　通讯单位：重庆大学
　　研究速览
　　近期，重庆大学的刘鹏，蔡开勇教授等人在  ACS Applied Materials & Interfaces  上发表了用于治疗生物膜感染和过度炎症反应的新型透明质酸/明胶纳米复合水凝胶钛基植入物涂层的制备的研究工作。植入物相关生物膜感染引起的持续性炎症已成为一个重要的临床问题。虽然已经开发了许多方法来改善植入物带来的问题，但炎症后微环境变化导致的问题经常被忽视。过量活性氧 (ROS) 引起的氧化应激(OS) 被认为是炎症微环境的特定生理信号之一。该文将ZIF-90-Bi-CeO2纳米颗粒 (NPs) 掺入到由醛基透明质酸和明胶组成的席夫碱化学交联水凝胶中。通过聚多巴胺和明胶的化学交联，水凝胶涂层粘附在钛衬底上。改性Ti底物具有多模态抗菌和抗生物膜功能，这主要得益于Bi NPs的光热效应，以及Zn离子和CeO2 NPs的释放。值得注意的是，CeO2NPs使系统具有双酶 (SOD-和CAT-like) 催化活性。在大鼠植入物相关感染 (IAI) 模型中，双功能水凝胶具有生物膜去除能力，并调节OS和炎症反应以促进骨整合。该文光热疗法结合了宿主炎症-微环境调节策略可能为生物膜感染及其伴随的过度炎症提供一种新的治疗方法。
　　要点分析
　　要点一，材料设计：  该工作将ZIF-90-Bi-CeO2纳米颗粒 (NPs) 掺入到由醛基透明质酸和明胶组成的席夫碱化学交联水凝胶中并且通过聚多巴胺和明胶的化学交联，将水凝胶涂层粘附在钛衬底上， 制备了一种具有新型光热增强双功能的水凝胶涂层系统。
　　要点二，抗菌性能：  得益于Bi NPs的光热效应，以及Zn离子和CeO2NPs的释放，改性后的Ti底物具有多模态抗菌和抗生物膜功能。这使得 水凝胶体系同时具有SOD-like和CAT-like活性以及光热增强的CeO2 NPs电子传递效应，对细胞内ROS具有明显的清除作用。 通过实验可知，该透明质酸/明胶纳米复合水凝胶钛基植入物涂层对大金黄色葡萄球菌可达到90%以上，具有优秀的抗菌性能。
　　图文导读
　　图1： Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2的抑菌机制及体内成骨特性。
　　图2.   (A) ZIF-90-Bi-CeO2 NPs的TEM图像。(B) ZIF-90和ZIF-90-Bi-CeO2 NPs的Zeta电位。(C) HA和HACHO的FTIR光谱。(D) HA-CHO-GEL和HA-CHO-GEL- ZIF-90-Bi-CeO2的FTIR光谱。(E) Ti-HG和Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2的SEM图像，Ti-HG和Ti-HG- ZIF-90-Bi-CeO2的部分放大SEM图像。(F) Ti-HG和Ti-HG- ZIF-90-Bi-CeO2的XPS谱。ZIF-90-Bi-CeO2的高分辨率Zn 2p (G)、Bi 4f (H)和Ce 3d (I)光谱。(J)拉伸性能的拉剪试验。(K) Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2-no-PDA处理与Ti-HG- ZIF-90-Bi-CeO2样品的粘结应力。
　　图3.     ZIF-90-Bi-CeO2 NPs和Ti-HG- ZIF-90-Bi-CeO2衬底的制备示意图。
　　图4.   Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2样品的光热和自由基(·OH和O2• )清除性能。(A)相同NPs浓度(100 μg/mL)下Ti、Ti-HG、Ti-HG-ZIF-90和Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2样品在808 nm激光照射下的光热曲线。(B)不同NPs浓度(25、50、100、200 μg/mL)的Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2底物在808 nm激光照射下的光热曲线。(C) Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2-NIR+样品在808 nm激光照射下在PBS溶液中30、150、300和600 s的实时温度照片。(D) Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2在808 nm激光照射下水分散体的加热和冷却曲线。(E) (1) Ti， (2) Ti-HG，(3) Ti-HG-ZIF-90和(4) Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2在808 nm激光照射下氧化TMB的紫外-可见吸光度。(F) (1) Ti， (2) Ti-HG， (3) Ti-HG-ZIF-90和(4) Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2在808 nm激光照射下的SOD-like活性。
　　图5.   (A, C) 金黄色葡萄球菌菌落在不同基质上的代表性培养图像，在37 C下孵育6和24 h后，经或不经近红外照射。(B, D) 抗菌率对应图像。
　　图6.   Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2底物的抑菌机制。(A)近红外照射10分钟后金黄色葡萄球菌生理变化的SEM图像。(B) Ti、Ti-HG-ZIF-90和Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2处理金黄色葡萄球菌的超薄切片TEM图像。 (C) 在808 nm照射10分钟或不照射10分钟时，使用ONPG水解法测量细菌细胞膜通透性的变化。(D) 在808 nm近红外激光照射10分钟下，细菌蛋白质泄漏量。(E) 基于抗粘附、光热效应和离子释放的Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2样品的抗菌机制。
　　图7.   (A) 不同样品用808 nm NIR处理10 min的晶紫图像和(B) 抗生物膜效率。(C) 808 nm近红外照射10 min后金黄色葡萄球菌生物膜活/死染色的3D CLSM图像。(D) 不同样品对应的活、死荧光统计。
　　图8.  (A) 培养1、4、7天后不同样品间充质干细胞的CLSM图像。(B, C) 300 μM H2O2处理与不处理培养4、7 d后不同样品的细胞活力。
　　图9.  (A) DCFH-DA探针染色的CLSM图像。(B) 对应的归一化荧光强度。(C) Ti-HG和Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2底物培养24 h后，经300 μM H2O2处理和近红外照射后，MSCs在Ti-HG和Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2底物上的细胞内ROS的流式细胞仪图像。(D) Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2底物光热增强抗氧化机制示意图。
　　图10. 定量分析条件培养基培养 (A) 4天和 (B) 7天的骨髓间充质干细胞ALP水平。 (C)在条件培养基中培养14天后定量分析MSCs的矿化水平。
　　图11.  (A)植入手术程序示意图。(B)实时温度热图像。(C) Ti和Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2样品在近红外照射30、150、300和600 s后胫骨的温度变化曲线。(D) 抗菌平板图像和(E) 植入7天后抗菌率。(F) DHE细胞内ROS染色图像。(G) 不同种植体周围DHE荧光强度的定量分析。
　　图12.  (A) 培养7天后Ti、Ti-HG、Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2和Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2-NIR+周围组织的H&E染色图像。(B) 培养3天后Ti、Ti-HG、Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2和Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2-NIR+周围组织CD86和CD206的免疫组化染色图像。(C) CD86 +和(D) CD206 +阳性细胞根据免疫组化染色图像计数。
　　图13.  (A)活体实验示意图。(B) Ti、Ti-HG、Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2和Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2-NIR+样品骨-种植体界面组织的苏木精和伊红染色图像。(C) Ti、Ti-HG、Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2和Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2-NIR+样品骨-种植体界面组织的Masson染色图像。(D) Ti、Ti-HG、Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2和Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2-NIR +样品骨种植体界面组织碱性磷酸酶和抗骨钙素免疫组化染色。(E) 新骨区域百分比的半定量分析和(F) 植入物周围ROI中的拼贴沉积。(G) ALP-和(H) OCN阳性细胞区半定量分析。
　　结论
　　该研究在Ti植入物上成功制备了一种新型光热增强双功能水凝胶涂层系统。改性Ti底物具有多模态抗菌和抗菌膜功能，这主要得益于Bi NPs的光热效应以及Zn2+和CeO2 NPs的释放。水凝胶体系同时具有SOD-like和CAT-like活性以及光热增强的CeO2 NPs电子传递效应，对细胞内ROS具有明显的清除作用。在大鼠IAI模型中，改良Ti种植体具有生物膜去除能力，并调节OS和炎症反应以促进骨整合。该策略克服了传统方法只注重抗感染治疗的缺点，为研究宿主微环境调控指明了方向。这将为治疗生物膜感染和过度炎症提供新的思路。
　　全文链接： https://doi.org/10.1021/acsami.2c23320
　　参考文献： Yao Ding, Ruichen Ma, Genhua Liu, Xuan Li, Kun Xu, Peng Liu* and Kaiyong Cai*. Fabrication of a New Hyaluronic Acid/Gelatin Nanocomposite Hydrogel Coating on Titanium-Based Implants for Treating Biofilm Infection and Excessive Inflammatory Response.  ACS Appl. Mater. Interfaces  (2023)   DOI:  doi.org/10.1021/acsami.2c23320