鈦及其合金因其卓越的機(jī)械性能和生物相容性，在骨科植入物領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。然而，盡管其性能優(yōu)異，鈦植入物仍面臨著一系列挑戰(zhàn)，特別是在抗感染和骨整合方面。研究表明，鈦材本身對(duì)于促進(jìn)骨組織與植入物之間的整合能力有限，且難以抵御植入過(guò)程中病菌的侵襲，這是導(dǎo)致術(shù)后無(wú)菌性松動(dòng)和細(xì)菌感染風(fēng)險(xiǎn)的主要原因。因此，為了進(jìn)一步提升鈦基植入物的臨床應(yīng)用效果，需要深入研究并開(kāi)發(fā)新的表面改性技術(shù)，以增強(qiáng)其骨整合和抗感染能力。然而，植入體表面的不同功能對(duì)時(shí)效性具有特定的需求。具體而言，抗菌功能應(yīng)具備響應(yīng)性和可控性，能在感染發(fā)生或即將發(fā)生時(shí)被有效激活；促成骨功能應(yīng)具備穩(wěn)定性和長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)性。
近期，西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院李鵬教授課題組設(shè)計(jì)了一種基于SrTiO?納米管（SrNT）的近紅外（NIR）光響應(yīng)“氣動(dòng)納米炮”涂層。該涂層通過(guò)氣泡的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了對(duì)抗生素（Cip）的響應(yīng)性遞送和Sr2?離子的持續(xù)釋放，從而展現(xiàn)出按需釋藥的抗菌效果和穩(wěn)定的成骨性能（圖1）。該涂層以抗生素為“炮彈”，以碳酸氫銨（NH?HCO?）為“推進(jìn)劑”，通過(guò)貽貝啟發(fā)的聚多巴胺（PDA）表面沉積技術(shù)，將其封裝進(jìn)“炮管”（SrNT）內(nèi)。由于PDA具有良好的光熱轉(zhuǎn)換效率，在NIR的照射下，NH?HCO?發(fā)生熱分解，在SrNT涂層內(nèi)部產(chǎn)生CO?和NH?氣泡，這些氣泡會(huì)破壞涂層PDA的封裝效果，并且外溢推動(dòng)抗生素的釋放，實(shí)現(xiàn)抗菌藥物的可控釋放。不僅如此，SrNT涂層還能夠持續(xù)穩(wěn)定地釋放具有成骨活性的Sr2+離子，以增強(qiáng)植入體的骨整合效果。
圖1 鈦植入體表面“氣動(dòng)納米炮”涂層示意圖。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示（圖2），該涂層在NIR（808 nm）光照下，表面有明顯的氣泡生成現(xiàn)象，意味NH4HCO3可被光照控制有效分解。因此，該涂層展現(xiàn)出了顯著的抗生素響應(yīng)性釋放效果，與模擬感染微環(huán)境pH條件下，施加NIR光照時(shí)其24 h釋放量與無(wú)NIR光照時(shí)相比提升接近3倍，相比于中性環(huán)境中無(wú)NIR光照時(shí)釋放量提升了近6倍。除此之外，該涂層對(duì)Sr2+的釋放具有良好的穩(wěn)定性，釋放持續(xù)時(shí)間超過(guò)28 天。因此，該涂層能夠提供給鈦植入體表面可控的殺菌性能以及穩(wěn)定的促成骨效果。
圖2.（a）不同樣品表面的SEM圖像，（b）XRD圖譜，（c）水接觸角和（d）NIR光熱轉(zhuǎn)換曲線。（e） 在30秒和60秒的NIR照射下不同樣品表面產(chǎn)生的氣泡的照片。浸泡于PBS中樣品的（f）抗生素和（g）Sr2+釋放曲線。該“氣動(dòng)納米炮”涂層展現(xiàn)出了顯著可控的抗菌性能（圖3）。NIR的照射成功觸發(fā)涂層中抗生素的快速釋放，顯著增強(qiáng)了其抗菌潛力，使得涂層對(duì)大腸桿菌（E. coli）和金黃色葡萄球菌（S. aureus）具有強(qiáng)力的抗菌效果（抗菌率＞99.99%）。不僅如此，在NIR光照條件下，樣品針對(duì)E. coli的抑菌圈直徑相較于無(wú)NIR光照時(shí)增加了50%以上，針對(duì)S. aureus的抑菌圈直徑增加了70%以上，這進(jìn)一步證明了NIR對(duì)樣品抗菌效果的增強(qiáng)是由于抗生素的釋放所導(dǎo)致的，并且其抗菌效果非常顯著。圖3.不同樣品對(duì)典型革蘭氏陰性菌（大腸桿菌）和革蘭氏陽(yáng)性菌（金黃色葡萄球菌）的抗菌活性表征：（a）細(xì)菌涂板觀察，（b）菌落計(jì)數(shù)，（c）活/死細(xì)菌熒光染色，（d）抑菌圈。該涂層在大鼠股骨骨髓炎感染模型中展示出了良好的治療效果。在植入后，NIR光能夠有效穿透組織，顯著提升了該涂層的抗菌性能，相較于沒(méi)有NIR光照時(shí)植入部位菌落數(shù)減少了49%，并且NIR光照情況下其體內(nèi)抗菌效率達(dá)到99.88%（圖4）。同時(shí)，該涂層對(duì)骨整合也有顯著的促進(jìn)作用，在植入28天后，其周?chē)男鹿巧闪匡@著高于原始鈦植入體，并且小梁分離度顯著減少（圖5），有效的提高了鈦植入體的骨整合性能。
圖4.植入7 d后不同樣品的體內(nèi)抗感染活性表征：（a）植入物相關(guān)感染的大鼠模型示意圖，（b）植入后不同樣品的光熱成像，（c）細(xì)菌存活率，（d）細(xì)菌菌落圖像，（e）革蘭氏染色（箭頭：細(xì)菌），（f） H&E 組織學(xué)染色（箭頭：中性粒細(xì)胞），促炎因子（g）TNF-α 和 （h） L-6的免疫組織化學(xué)染色（箭頭：陽(yáng)性部位）。圖5. 植入28 d后不同樣品的體內(nèi)成骨活性表征：（a） 不同樣品植入后的Micro-CT圖像，（b）BS、（c）BV/TV、（d）Tb.Th 和（e）Tb.SP 的定量計(jì)算，（f）Masson三色染色，（g）H&E組織學(xué)染色（箭頭：中性粒細(xì)胞），促炎因子（h）TNF-α 和（i）IL-6的免疫組織化學(xué)染色（箭頭：陽(yáng)性位點(diǎn)）的圖像。本研究在鈦基植入物表面構(gòu)建的“氣動(dòng)納米炮”涂層，在NIR照射下可控釋放抗菌藥物，持續(xù)釋放成骨活性離子，不僅可響應(yīng)性抑制植入物相關(guān)感染，而且可增強(qiáng)植入體骨整合效果。該涂層為鈦植入物的抗感染、促成骨功能改進(jìn)提升提供了新的策略，具有臨床應(yīng)用潛力和廣闊前景。相關(guān)工作以“SrTiO3 Nanotube-based “Pneumatic Nanocannon” for On-demand Delivery of Antibacterial and Sustained Osseointegration Enhancement”為題，發(fā)表在ACS Nano (DOI：10.1021/acsnano.4c04478)上。西北工業(yè)大學(xué)李鵬教授為該論文通訊作者。
