吉林大學(xué)任露泉院士團(tuán)隊(duì)趙杰教授《ACS Nano》:生物啟發(fā)的自適應(yīng)納米復(fù)合陣列表面，可實(shí)現(xiàn)從機(jī)械殺菌性向促細(xì)胞粘附增殖性轉(zhuǎn)變！
植入體相關(guān)感染主要是由細(xì)菌污染植入體表面所引起的，這不僅會(huì)造成植入手術(shù)失敗，而且伴隨的高致病率和高死亡率也會(huì)給患者帶來(lái)極大痛苦。盡管抗生素作為一種對(duì)抗細(xì)菌感染的有效手段，但在消滅入侵細(xì)菌的同時(shí)會(huì)不可避免地誘發(fā)細(xì)菌耐藥性，為患者帶來(lái)嚴(yán)重后果。相對(duì)于單純構(gòu)建植入體抗菌表面，當(dāng)前研究更傾向于建立一種能夠快速整合組織的植入體表面。根據(jù)Gristina教授提出的“表面競(jìng)爭(zhēng)”（Race for the surface）理論，誘導(dǎo)細(xì)胞在植入體表面發(fā)生粘附與增殖，能夠有效降低細(xì)菌在表面競(jìng)爭(zhēng)性粘附與繁殖的機(jī)率，是增強(qiáng)植入表面的抗感染能力的另一種有效途徑。基于這一理論，如何使細(xì)胞在植入體表面競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)是解決植入體相關(guān)問(wèn)題的關(guān)鍵。近期，有研究者發(fā)現(xiàn)蟬翼啟發(fā)的納米結(jié)構(gòu)表面具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)殺菌性能。不同于傳統(tǒng)殺菌劑的殺菌原理，這種納米結(jié)構(gòu)殺菌表面是一種基于純物理殺菌的方式：具有一定長(zhǎng)徑比的納米結(jié)構(gòu)，對(duì)粘附在結(jié)構(gòu)頂部、試圖尋求最大化粘附面積的細(xì)菌細(xì)胞施加一定的非特異性力，當(dāng)施加的力大于細(xì)菌細(xì)胞壁（細(xì)胞膜）所能承受范圍時(shí)，細(xì)菌細(xì)胞會(huì)破裂而亡。同時(shí)，由于細(xì)菌和哺乳動(dòng)物細(xì)胞的體積大小和細(xì)胞壁（細(xì)胞膜）組成上存在的差異性，納米結(jié)構(gòu)表面殺死細(xì)菌的同時(shí)又不會(huì)對(duì)正常的哺乳動(dòng)物細(xì)胞產(chǎn)生損傷。這一現(xiàn)象為研究者解決植入體所面臨的問(wèn)題提供了新的思路。
基于此，吉林大學(xué)任露泉院士團(tuán)隊(duì)通過(guò)在蟬翼啟發(fā)的納米結(jié)構(gòu)上原位組裝抑菌劑3,3‘-二氨基二丙胺（DADP）摻雜的沸石咪唑骨架-8（ZIF-8）納米粒子，制備出一種自適應(yīng)表面。除了優(yōu)異的機(jī)械殺菌性能外，該表面利用ZIF-8在酸性條件下自分解的特性釋放出抑菌小分子DADP，有效避免了細(xì)菌尸體堆積為機(jī)械殺菌性帶來(lái)的不良影響。隨后，利用仿生納米結(jié)構(gòu)表面的選擇性殺滅效果，該表面在植入后期能夠自發(fā)地從抗菌模式轉(zhuǎn)化為促細(xì)胞粘附增殖模式，使組織細(xì)胞在表面競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。此策略有效地解決了生物材料植入體在植入初期容易引發(fā)的細(xì)菌感染以及植入后期的組織整合問(wèn)題。該研究以題為“Bio-Inspired Self-Adaptive Nanocomposite Array: From Non-Antibiotic Antibacterial Actions to Cell Proliferation”的論文發(fā)表在最新一期《ACS Nano》上。
【制備及表征】
首先利用熱壓印的方法制備了聚碳酸酯基的仿生納米結(jié)構(gòu)表面，隨后通過(guò)聚多巴胺（PDA）的修飾來(lái)改善ZIF-8與聚碳酸酯之間較差的結(jié)合性。從SEM結(jié)果可以看出未經(jīng)修飾的納米結(jié)構(gòu)表面呈規(guī)整的陣列結(jié)構(gòu)，與蟬翼表面高度相似。經(jīng)負(fù)載DADP的ZIF-8納米粒子（D@ZIF）修飾后的表面變得更為粗糙，經(jīng)測(cè)量分析后發(fā)現(xiàn)，仿生納米復(fù)合陣列中納米柱的柱高，柱寬以及柱間距均發(fā)生一定變化。同時(shí)，由于PDA表面富含氨基與羥基，使得鋅離子能夠與其進(jìn)行螯合，利于D@ZIF在納米結(jié)構(gòu)表面的成核，使D@ZIF得以在表面均勻分布。
圖1. 仿生納米復(fù)合陣列的制備路徑及其作用機(jī)理
圖2. 仿生納米復(fù)合陣列形貌
隨后，研究者對(duì)該表面DADP的負(fù)載及酸響應(yīng)釋放行為進(jìn)行了探究。利用紫外-可見(jiàn)光吸收光譜測(cè)試證明了DADP的成功負(fù)載。同時(shí)，在pH7.4（中性）及pH5.5（酸性）條件下的測(cè)試發(fā)現(xiàn)仿生納米復(fù)合陣列具有酸響應(yīng)釋放行為，即pH5.5條件下在前2-3小時(shí)可實(shí)現(xiàn)藥物的快速釋放。
圖3. 仿生納米復(fù)合陣列表征及酸響應(yīng)釋放性
【仿生納米復(fù)合陣列的抗菌性】
經(jīng)研究者探究發(fā)現(xiàn)，仿生納米復(fù)合陣列的抗菌作用分為三個(gè)階段：（1）在正常生理?xiàng)l件下，即對(duì)應(yīng)于細(xì)菌入侵的初始階段，機(jī)械殺菌起主導(dǎo)作用，細(xì)菌在接觸到仿生納米復(fù)合陣列后被撕裂從而死亡。（2）隨著細(xì)菌的繁殖，酸化的代謝微環(huán)境會(huì)觸發(fā)D@ZIF納米粒子的分解，從而釋放出內(nèi)置的DADP分子。（3）釋放的DADP有效抑制了細(xì)菌在表面的進(jìn)一步繁殖，同時(shí)在機(jī)械殺菌和DADP的結(jié)合下使得該表面具有較高的殺菌活性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明所制備的仿生納米復(fù)合陣列能夠有效對(duì)抗植入初期的細(xì)菌感染。
圖4.仿生納米復(fù)合陣列的抗菌性能
【仿生納米復(fù)合陣列的促細(xì)胞增殖性】
除了需具備優(yōu)異的抗菌性能外，植入體在植入后期需要優(yōu)異的組織整合能力來(lái)避免異物反應(yīng)。經(jīng)研究者證實(shí)，在細(xì)菌代謝的微酸環(huán)境下表面的D@ZIF納米粒子能夠自行降解，隨后暴露出經(jīng)PDA修飾的納米結(jié)構(gòu)表面（DE-PDA/NP）。經(jīng)體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證明，DE-PDA/NP中的納米結(jié)構(gòu)不僅不會(huì)給哺乳動(dòng)物細(xì)胞造成機(jī)械性損傷，相反，在納米結(jié)構(gòu)的機(jī)械刺激下能夠進(jìn)一步促進(jìn)細(xì)胞在表面的粘附和增殖。與此同時(shí)，DE-PDA/NP依然保留有機(jī)械殺菌性能。
圖5. D@ZIF降解后表面的細(xì)胞增殖情況
總結(jié)：作者通過(guò)熱壓印法和原位晶體生長(zhǎng)的方法制備了一種能夠前期殺菌，后期促進(jìn)細(xì)胞粘附與增殖的植入體表面。在不引入任何抗生素的基礎(chǔ)上，利用了蟬翼啟發(fā)的納米結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)菌和細(xì)胞的不同作用，在同一表面實(shí)現(xiàn)了抗菌和組織整合雙重功能。此研究為未來(lái)永久性植入體表面的設(shè)計(jì)提供了一種全新的，可供選擇的思路。