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四川大學楊佼佼副研究員、李繼遙教授 ACS AMI:因溫制宜的植入體涂層 - 細胞膜熱平衡機制減少熱擴散助力抗菌與骨修復
2024-09-29  來源:高分子科技

  植入物相關感染仍然是骨缺損治療中的一個嚴重問題,傳統界面抗菌修飾策略存在耐藥性和生物安全風險等問題。近紅外(NIR)輔助的光熱療法已被證明可以有效殺滅細菌,但受限于 NIR的低穿透性和熱量在軟組織中的快速擴散,導致光熱療法在治療感染性骨缺損時面臨植入體表面熱量不足和軟組織損傷的挑戰。當前的解決方案集中于提高光熱涂層的產熱量,伴隨而來的熱擴散會加劇軟組織灼傷風險。基于課題組前期在細胞膜基抗菌材料的基礎(Advanced Materials20242405953Advanced Science20242405764Nano Today202457102390Acta Biomaterialia2024293-306Small20242311967),尤其是受細胞膜獨特的磷脂雙分子層半透膜結構為胞內的熱量調節提供了關鍵“樞紐”所啟發,設計仿北極熊皮膚結構的高效光熱細胞膜涂層(Materials Horizons2024),但細胞膜如何提高熱療效率未能得到精準解析。


  本研究利用天然細胞膜對熱效應的精細調控,以聚單寧酸(pTA)作為膠水分子,將光熱劑黑磷(BPNSs)負載至植入體表面,并在其外層修飾具有熱量調控與穩定功能的紅細胞膜(RBCM),構筑熱增效的細胞膜基復合光熱涂層TB-CM。該涂層可在植入體表面實現顯著的熱增效作用與穩定的光響應活性。細胞膜的低熱傳導特性與凝膠-液晶相變能力,是減少植入體表面熱量流失,實現植入體表面光熱增效的關鍵機制。體內外研究表明涂層具有優異的光熱抗菌作用和促成骨效果,實現了高效、安全的感染性骨缺損修復。


  本研究的創新性在于:1)首次提出減少局部熱量損失提高熱療效率的策略,通過減少植入體表面熱量流失,降低組織損傷風險來最終實現安全高效的熱療;2)首次將天然細胞膜用于光熱治療中的保溫增效,并進一步以多酚作為橋梁,在植入體表面便捷構建自組裝涂層;3)聯合應用物理學、化學、材料科學和數學等學科的知識,全面分析和理解涂層的熱力學行為與熱力學性質。

Figure 1涂層的熱增效性能表征


Figure 2涂層的熱增效機制研究


Figure 3.體內抗菌性能評估


Figure 4.體內修復骨缺損效果評估


  該工作以題為Engineering Coatings Inspired by Cell Membrane Thermal Dynamics to Enhance Photothermal Therapy and Osteogenesis for Implant Infections發表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。文章第一作者為四川大學華西口腔醫院2021級博士侯嬡琳何利邦副教授,通訊作者為四川大學華西口腔醫院的楊佼佼副研究員和李繼遙教授。特別感謝四川大學生物治療全國重點實驗室周西坤研究員提供的實驗必需的材料和四川大學李建樹教授、程磊教授和羅珺副研究員的指導。本工作得到了國家自然科學基金、四川省科技廳項目、四川大學研究項目和華西口腔醫院項目的資金支持。


  文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.4c09978

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(責任編輯:xu)
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