第一作者：Wenxiu Xu, Yang Yu

通讯作者：葛少华, 刘宏, 李建华

通讯单位：山东大学

研究速览：

近期，葛少华教授联合刘宏教授与李建华教授团队在ACS NANO上发表了受线粒体呼吸链ROS产生的启发，表面受限压电催化用于超声驱动的无创消除植入物感染的研究工作。植入物相关感染（IAI）对医疗保健和人类健康是巨大的挑战，但目前的临床治疗仅限于使用抗生素和物理去除受感染的组织或植入物。受蛋白质/膜复合物结构及其在细菌入侵期间免疫细胞线粒体呼吸过程中产生活性氧的启发，本研究提出了一种嵌入聚合物植入物表面的金属/压电纳米结构，以实现对抗IAI的有效压电催化。压电驱动的局部电子放电和在植入物-细菌界面产生的诱导氧化应激可以通过细胞膜破坏和糖能量消耗有效抑制附着的金黄色葡萄球菌的活性，具有高度的生物相容性，并通过简单的超声刺激消除皮下感染。为了进一步证明，通过在离体人类牙齿中植入压电牙胶，可以通过简化的程序治疗根管再感染。这种表面受限的压电催化抗菌策略利用了有限的感染间隙、聚合物加工的容易性和声动力学治疗的无创性，在IAI治疗中具有潜在的应用前景。

要点分析：

要点一：

受天然线粒体呼吸过程中蛋白质/膜复合物结构的启发，本文提出了一种嵌入植入物表面的金属/压电纳米结构，该结构使用机械能而非生物化学能来诱导ROS的产。

要点二：

本研究通过压电催化在植入物上实现局部电子放电和表面限制的氧化应激抑制超声刺激下附着的细菌的活性，从而提供了一种按需和无创的治疗IAI的方法。

图文导读

图1.压电PCL薄膜的特性。（a）压电PCL合成示意图。（b）压电PCL横截面的FIB-SEM显微照片和相应的EDS图谱。（c）纯PCL和压电PCL（x）样品（x＝1、5和10）的SEM显微照片和相应的元素分析。（d）从压电PCL上刮下的Janus BTO@AuNPs的亮场TEM图像和EDS图谱。Au NPs呈假黄色。（e）压电PCL的压电响应相位曲线和振幅曲线。（f）压电PCL表面的代表性原子力显微镜观察。（g）压电PCL原位压电响应力显微镜的形貌、振幅和相位图像。

图2.压电PCL产生ROS。（a）表面受限压电催化产生自由基的说明。（b）通过DCFH探测在超声照射下测量不同样品中ROS产生随时间的变化。（c）不同样品在间歇性US刺激下产生的瞬时ROS。（d）经PCL和压电PCL膜处理的TA在超声辐照和不超声辐照下的荧光强度。（e）压电PCL膜处理TA在不同超声时间下的荧光强度。（f）经PCL和压电PCL膜处理的NBT在超声辐照和不超声辐照下的吸收光谱。（g）在1 mM叔丁醇（TBA，•OH的猝灭剂）或1 mM对苯醌（BQ，•O2−的猝灭剂）DCFH检测。（h）在100次压电催化反应过程中，从压电PCL产生ROS的回收实验。（i）100次超声循环前后压电PCL形态的SEM图像。

图3.细菌对压电PCL的压电抑制作用。（a）细菌压电催化灭活实验装置示意图。（b） 平板培养物，（c）计算的抗菌率，（d）活/死染色和（e）用不同样品处理的金黄色葡萄球菌的SEM图像，有/没有5分钟的超声照射。（f）用于压电PCL组与PCL组中金黄色葡萄球菌基因差异分析的火山图。（g）与PCL组相比，压电PCL中的下调基因本体论（GO）富集分析。（h）与PCL组相比，压电PCL中GO富集分析上调。（i）KEGG途径中富集的差异表达基因。（j） 表面受限压电催化诱导细菌失活的可能机制。

图4. 植入物感染和再次感染的体内治疗。（a）在皮下感染模型中植入压电PCL的体内抗菌实验设计和US治疗装置。（b）通过平板计数获得的金黄色葡萄球菌菌落的照片和（c）不同样品对金黄色葡萄菌的抗菌率。（d）治疗1天后，炎症标志物IL-1β在周围皮肤组织中的基因表达。（e）用不同样品处理1天后的H&E和革兰氏染色图像。植入位置用黄色虚线标记。（f）再次感染模型的示意图，在植入物上额外注射金黄色葡萄球菌，随后在第4天进行US治疗。（g）通过平板计数获得的金黄色葡萄球菌菌落的照片，以及（h）PCL和压电PCL样品的抗菌率。（i）在第5天粘附到受感染的样品表面的皮肤组织的H&E和革兰氏染色图像。

图5.生物安全评估。（a）暴露于超声波辐射（1 W cm−2）5分钟后，在PCL和压电PCL上培养1、3和7天的NIH-3T3的细胞增殖。（b）细胞活力和（c）在超声照射（1 W cm−2）5分钟后，在PCL和压电PCL上培养24小时的NIH-3T3的活/死染色。（d）植入30天后对心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏的生物学评估。

图6. “压电聚合物”的广泛应用，具有压电表面的聚合物植入物。（a）压电聚合物在人体植入物中的潜在应用场景。（b）根管感染的传统治疗。（c）表面限制压电催化抗菌策略治疗根管感染的优点。（d）GP和压电GP的光学照片和（e）SEM图像。（f）植入离体人类牙齿的压电GP的数字图像。（g）粪便大肠杆菌菌落的平板计数和（h）超声波刺激（1 W cm−2，5分钟）后感染的离体人类牙齿中GP和压电GP的抗菌率。

结论

在本研究中，通过在植入物表面构建金属/压电异质结构，提出了一种线粒体呼吸激发的压电表面，用于治疗IAI。在超声刺激下，嵌入的Janus压电纳米结构可以通过促进细菌-植入物界面的压电诱导电荷传输来产生局部ROS，这可以通过干扰膜稳定性、跨膜传输和碳代谢来抑制金黄色葡萄球菌的存活。经过5分钟的低功率超声照射，piezoPCL在体外和体内的抗菌率分别为99.2%和96.9%，同时表现出较高的抗再感染能力。此外，由于大多数感染被限制在种植体表面的有限空间内，表面受限的压电催化抗菌策略在其他IAI中具有很大的潜力。作为证明，具有压电表面的根管填充材料对粪便大肠杆菌诱导的根管感染显示出有效的治疗效果。因此，这项工作为IAI的按需治疗提供了一种可行且无创的方法。

全文链接： https://doi.org/10.1021/acsnano.3c01480

参考文献：Wenxiu Xu,# Yang Yu,# Kai Li, Lanbo Shen, Xiaoyi Liu, Yi Chen, Junkun Feng, Wenjun Wang,Weiwei Zhao, Jinlong Shao, Baojin Ma, Junling Wu, Shaohua Ge,* Hong Liu,* and Jianhua Li*.Surface-Confined Piezocatalysis Inspired byROS Generation of Mitochondria Respiratory Chain for Ultrasound-Driven NoninvasiveElimination of Implant Infection. ACS Nano.2023.

作者及团队介绍：

葛少华，主任医师、教授、博士生导师/院长、党委副书记。现任山东大学口腔医学院（口腔医院）院长、党委副书记。擅长牙周病，牙体牙髓疾病的诊断及治疗，尤其擅长于中重度牙周炎序列治疗（非手术治疗和手术治疗），牙周牙髓联合疾病的综合诊治及各种牙周手术、牙周再生技术。泰山学者特聘教授；香港大学荣誉教授；受国务院政府特殊津贴专家；全国宝钢基金优秀教师；山东省十佳女医师；山东省优秀硕士论文指导教师；山东大学优秀教师；山东大学优秀临床教师，山东大学首届教学优秀奖。主要研究方向为牙周组织发育与再生，主持国家自然科学基金4项、省部级课题6项。在ACS AMI、Acta Biomaterialia、J Periodontol等国内外专业期刊上发表文章100余篇，第一或通讯作者发表SCI收录文章37篇，主编著作1部。以第一位分别获得山东省科技进步奖二等奖1项、山东省优秀教学成果奖二等奖1项、山东医学科技创新奖二等奖2项、山东省高校科研成果三等奖1项。中华口腔医学会牙周病专委会常委、教育部高等学校口腔医学专业教学指导委员会委员、山东省科协九届委员会常委、中华口腔医学会口腔科研管理分会常委、中华口腔医学会口腔医学教育专委会常委、中国医师协会口腔分会常委、山东省医学会口腔医学分会副主任委员，《口腔医学杂志》副主编、国家自然科学基金同行评议专家、省部级科学技术奖评审专家。