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  在骨科/口腔植入物領(lǐng)域，感染與骨整合不良始終是兩大難題。如何兼顧抗菌性與成骨性，并實現(xiàn)涂層的穩(wěn)定與通用，成為困擾該領(lǐng)域多年的“卡脖子”基礎(chǔ)科學(xué)問題。近期，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)師團隊，提出了一種仿生的“胺介導(dǎo)的多酚自聚涂層”策略，相關(guān)成果發(fā)表在Journal of the American Chemical Society上。該論文第一作者為北京化工大學(xué)博士研究生孫美州（石河子大學(xué)定向培養(yǎng)師資博士研究生），首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京口腔醫(yī)院博士生徐馳、北京化工大學(xué)博士研究生吳若楠、碩士研究生柯儀煙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幫助。該研究受到國家自然科學(xué)基金重大項目的支持。

胺誘導(dǎo)多酚自組裝負(fù)電荷涂層選擇性地靶向細(xì)菌并增強骨科植入物中的骨整合示意圖

  該研究設(shè)計了一種基于單寧酸和胺類小分子的一步共價自聚策略，可在鈦等金屬植入物表面快速生成穩(wěn)定的多酚涂層。與傳統(tǒng)多步驟、多刺激響應(yīng)的復(fù)雜方法相比，這種涂層制備方式更為簡便、通用、穩(wěn)定。涂層表面帶有穩(wěn)定的負(fù)電荷，不僅能選擇性殺滅細(xì)菌，更能避免殺傷哺乳動物細(xì)胞（圖1）。

圖1 Ti和Ti-PTA表面的細(xì)菌-細(xì)胞競爭性研究

  研究結(jié)果表明，涂層對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌等常見致病菌具有明顯抑制作用，且殺菌效果依賴于接觸而非滲出，避免了傳統(tǒng)抗菌劑釋放后失效和毒性的風(fēng)險。多組學(xué)機制研究表明，多酚涂層可抑制細(xì)菌趨化相關(guān)蛋白表達(dá)，阻斷FTSI等細(xì)胞壁蛋白合成，干擾質(zhì)子泵與電子傳遞鏈功能，最終導(dǎo)致細(xì)菌膜結(jié)構(gòu)崩解，失去活性（圖2）。值得注意的是，哺乳動物細(xì)胞對該涂層表現(xiàn)出良好的生物相容性。在成骨方面，該涂層顯著促進骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的黏附、增殖與分化�；蜣D(zhuǎn)錄組分析顯示，其上調(diào)了Runx2、Col-1、OCN等關(guān)鍵成骨基因的表達(dá)，并通過激活Wnt/β-catenin信號通路實現(xiàn)機制調(diào)控（圖3）。

圖2 A）Ti和Ti-PTA處理E.coli后的ATP含量變化。B）OMPF和FTSI的相對蛋白表達(dá)。C）Ti和Ti-PTA處理E.coli的抗菌機制圖。

圖3 A）在Ti和Ti-PTA表面上培養(yǎng)的BMSCs的成骨相關(guān)蛋白表達(dá)的Weston blot圖像；B）Ti-PTA表面促進成骨作用的機制示意圖。

  在感染動物模型中，Ti-PTA涂層組實現(xiàn)了51.9%的骨整合提升率，遠(yuǎn)高于未處理組，且組織炎癥反應(yīng)顯著減少，表現(xiàn)出優(yōu)異的促骨整合/抗炎協(xié)同效應(yīng)（圖4）。

圖4 A）Ti和Ti-PTA種植體周圍H&E染色圖片；B）Ti和Ti-PTA種植體在4 w, 8 w和12 w的力學(xué)拔出性能測試。

  該策略不僅適用于鈦金屬表面，還在不銹鋼、PEEK、PMMA、聚氨酯、硅橡膠等7種常見醫(yī)療材料中表現(xiàn)出良好的適配性（圖5），其特點包括不依賴釋放，具備長期穩(wěn)定性；接觸殺菌機制，生物安全性好；方法便捷，便于規(guī)模放大等，具有廣泛的推廣前景。

圖5 PTA涂層的普適性驗證

  總而言之，該研究提供了一種兼顧選擇性抗菌和成骨誘導(dǎo)的植入體表面化學(xué)結(jié)構(gòu)調(diào)控策略，為骨科與口腔植入物的表面工程提供了新思路。

  文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c07074?fig=fig6&ref=pdf