在骨科/口腔植入物領域，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，并實現涂層的穩定與通用，成為困擾該領域多年的“卡脖子”基礎科學問題。近期，北京化工大學徐福建教授、段順教授課題組聯合首都醫科大學附屬北京口腔醫院孫玉潔副主任醫師團隊，提出了一種仿生的“胺介導的多酚自聚涂層”策略，相關成果發表在Journal of the American Chemical Society上。該論文第一作者為北京化工大學博士研究生孫美州（石河子大學定向培養師資博士研究生），首都醫科大學附屬北京口腔醫院博士生徐馳、北京化工大學博士研究生吳若楠、碩士研究生柯儀煙對于本研究亦有重要貢獻，北京化工大學丁小康教授、趙娜娜教授、首都醫科大學附屬北京口腔醫院耿威主任醫師也對本論文提供了幫助。該研究受到國家自然科學基金重大項目的支持。
胺誘導多酚自組裝負電荷涂層選擇性地靶向細菌并增強骨科植入物中的骨整合示意圖
該研究設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定的多酚涂層。與傳統多步驟、多刺激響應的復雜方法相比，這種涂層制備方式更為簡便、通用、穩定。涂層表面帶有穩定的負電荷，不僅能選擇性殺滅細菌，更能避免殺傷哺乳動物細胞（圖1）。
圖1 Ti和Ti-PTA表面的細菌-細胞競爭性研究
研究結果表明，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，避免了傳統抗菌劑釋放后失效和毒性的風險。多組學機制研究表明，多酚涂層可抑制細菌趨化相關蛋白表達，阻斷FTSI等細胞壁蛋白合成，干擾質子泵與電子傳遞鏈功能，最終導致細菌膜結構崩解，失去活性（圖2）。值得注意的是，哺乳動物細胞對該涂層表現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干細胞的黏附、增殖與分化；蜣D錄組分析顯示，其上調了Runx2、Col-1、OCN等關鍵成骨基因的表達，并通過激活Wnt/β-catenin信號通路實現機制調控（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。C）Ti和Ti-PTA處理E.coli的抗菌機制圖。
圖3 A）在Ti和Ti-PTA表面上培養的BMSCs的成骨相關蛋白表達的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涂層組實現了51.9%的骨整合提升率，遠高于未處理組，且組織炎癥反應顯著減少，表現出優異的促骨整合/抗炎協同效應（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種常見醫療材料中表現出良好的適配性（圖5），其特點包括不依賴釋放，具備長期穩定性；接觸殺菌機制，生物安全性好；方法便捷，便于規模放大等，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的植入體表面化學結構調控策略，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
