第一作者：霍世成
通讯作者：许国华 张珏 郑凯
通讯单位：海军医科大学长征医院脊柱中心矫形外科
研究速览
近期，海军医科大学长征医院脊柱中心矫形外科许国华团队在 Composites Part B 上发表了制备含铜生物活性玻璃纳米形貌涂层用于促进杀菌和骨再生的文章。植入物相关感染（IRI）是全关节置换术（TJA）后的灾难性并发症。由于其细胞相容性和机械抗性，钛（Ti）已被认为是合适的骨植入材料。然而，钛缺乏生物活性，容易诱导细菌感染，作者使用电泳沉积（EPD）开发了一种创新的表面涂层来克服这些限制。该涂层由（i）天然生物相容性聚合物壳聚糖（Chit）和（ii）具有抗菌和促成骨特性的新型铜掺杂生物活性玻璃纳米颗粒（Cu-BGNs）组成。这种结合Cu-BGNs-Chit复合材料和EPD的策略为设计和制备靶向虹膜的免疫调节植入物提供了新的理论和方法
要点分析
要点一，采用抗菌涂层避免清创手术以及抗生素使用引发骨整合不良： 抗生素耐药性的增加以及高剂量抗生素会损害先天免疫系统并导致严重毒性，包括发热、肝和肾毒性，并最终导致骨整合不良。此外，生物膜抑制免疫系统，损害局部免疫力。因此，治疗虹膜需要免疫增强特性和无毒抗菌治疗，同时促进成骨分化。因此，需要防止虹膜期间细菌的快速定植，并且需要赋予骨整合竞争优势。这种涂层赋予钛表面通过形貌促进巨噬细胞M1极化并释放铜离子的能力。结合免疫调节抗菌作用和瞬时杀菌活性导致对涂层虹膜的协同作用。
要点二，通过电泳沉积形成掺铜生物活性薄膜： 生物活性玻璃纳米粒子（BGNs）是第三代生物材料，在修复和再生硬组织和软组织方面表现出非凡的能力。生物活性玻璃有许多优点，例如诱导羟基磷灰石形成、生物降解性和治疗性生物活性离子的释放。铜（Cu）是一种众所周知的抗菌元素，也是一种通过刺激成骨和血管生成的造骨工具。研究表明当铜与细菌接触时，它可以杀死细菌。表明铜掺杂的BGN表现出抗菌性能。，电泳沉积（EPD）因其在使用不同材料方面的多功能性、低成本和简单性而被牢固地确立为适用于医疗应用的涂层技术。EPD已被证明是生产含有无机生物活性填料（代表性的生物活性玻璃）的生物聚合物涂层（如玉米醇溶蛋白、藻酸盐和壳聚糖（Chit））的最有效方法之一。
图文导读
图1 . 用于制备Cu-Ti材料的制造工艺示意图。
图2 . 各种铜钛样品的形态和表面表征。(a) 各种Cu-Ti样品的表面SEM图像和(b) 横截面SEM图像。(c) 各种Cu-Ti样品EDS线扫描。(d) EDS图谱显示了各种Cu-Ti样品的元素分布和成分。(e)各种铜钛样品的划痕和摩擦力-法向力曲线的光学显微图像。
图3. 各种铜钛样品的表征。(a) 各种Cu-Ti样品的典型3D共焦图像。(b) 各种Cu-Ti样品的表面粗糙度数据。(c) 水滴在各种皮肤样品表面的接触角。(d) 各种Cu-Ti样品的FTIR光谱和(e) XRD图谱。(f) 各种Cu-Ti样品的动电位极化曲线。从各种Cu-Ti样品中释放出(g) 累积的Si离子、(h) Ca离子和(i) Cu离子。数据表示为平均值±标准差（n=3）。*P<0.05，**P<0.01。
图4. RAW 264.7培养的各种铜钛样品的基因表达分析。(a) 差异表达基因火山图谱。(b) 描述所选基因表达倍数变化的微阵列热图。(c-d）通过KEGG途径方法分析的代表性前20个下调和上调途径。
图5. RAW 264.7培养的各种铜钛样品的特异性基因和蛋白质表达。(a) 巨噬细胞极化和炎症相关基因表达的实时PCR检测。(b) ELISA检测细胞上清液中的炎性因子。数据表示为平均值±标准差（n=3）。*P<0.05；**P<0.01；***P<0.001。
图6. 巨噬细胞在各种铜钛样品上的行为。(a) 用荧光显微镜检测各种Cu-Ti样品中的M1（iNOS：绿色）和M2（CD206：红色）标记蛋白。(b) 通过流式细胞术分析RAW 264.7的表面标记CD11c和(c) CD206。(d) 阳性CD11c和CD206 (e) 细胞百分比。数据表示为平均值±标准差（n=3）。*P<0.05；***P<0.001。
图7. 不同铜钛样品的体外抗菌作用。(a，b) 不同Cu-Ti样品抗MRSA的时间*伤杀**动力学分析。(c)培养24小时后由附着细菌在各种Cu-Ti样品上形成的细菌菌落的代表性图像。(d) 应用CLSM装置获得活细胞（绿色）和死细胞（红色）的荧光图像。(e) 用活/死试剂盒染色各种Cu-Ti样品表面的生物膜形成，并用CLSM、活细胞（绿色）和死细胞（红色）检测。
结论
文中介绍Chit/Cu-BGNs涂层已经通过EPD方法成功地应用于钛衬底，证明了其适合于将生物活性元素引入金属表面。同时，Chit/Cu-BGNs涂层用于预防MRSA虹膜以及研究其免疫调节、抗菌和骨整合特性。体外实验表明，涂层有利于巨噬细胞极化，具有早期和温和的M1抗感染作用。结合免疫调节抗菌作用和瞬时杀菌能力，涂层对虹膜发挥了更好的协同作用。此外，涂层显示出优异的骨免疫调节和骨整合能力。一般而言，新型双向免疫调节生物材料具有优异的抗菌和成骨作用。总之，这些发现使Chit/Cu-BGNs涂层成为一种有前途的系统，用于增加生物惰性可植入金属材料的抗微生物和骨整合性能，并可能为设计和合成基于靶疾病免疫学特征的免疫调节生物材料的新策略提供新的见解。
全文链接： https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.110521
参考文献： Shicheng Huo, Zhuocheng Lyu, Xinjin Su, Fan Wang, Jia Liu, Shu Liu, Xuesong Liu, Xiaogang Bao, Jue Zhang, Kai Zheng, Guohua Xua. Formation of a novel Cu-containing bioactive glass nano-topography coating with strong bactericidal capability and bone regeneration. Composites Part B 2023 , DOI: 10.1016/j.compositesb.2023.110521.
作者与团队简介：
许国华： 第二军医大学附属长征医院主任医师，博士，教授，博士研究生导师，脊柱外科副主任。承担并负责国家自然科学基金4项；承担并负责上海市科委重大专项及医药重大课题、上海市人才计划项目8项等；作为主要人员参与国家科技重大专项、国家"973"计划项目1项；作为项目负责人获得中国人民解放军*队军**科技进步二等奖一项（排名第一）。