基于碳酸羟磷灰石和磷酸银的组分配优化骨支架：用于骨生成、支架吸收及光激活抗菌性能

《ACS Applied Bio Materials》：Compositionally Optimized Bone Scaffolds Based on Carbonate Apatite and Silver Phosphate for Osteogenesis, Scaffold Resorption, and Photoactivated Antibacterial Activity

抗菌骨 scaffold 开发及光催化抗菌机制研究。通过将0.4 wt% Ag3PO4与碳酸羟基磷灰石复合制备CASP scaffold，实现缓释Ag+离子与可见光响应光催化协同抗菌。体外证实CASP在1小时内对MRSA杀菌率达98%，且Ag+浓度（0.26 mg/L）低于成骨细胞毒性阈值（0.3 mg/L）。体内植入兔骨缺损模型显示：CASP在4周内保持99%以上对S epidermidis抗菌活性，促进骨再生体积达37%，同时实现自身42%的4周降解率。炎症反应（血红蛋白降解产物沉积）在12周后消退。该scaffold通过可见光激活的光催化反应（ROS生成）和Ag+缓释双重机制实现长效抗菌，且不干扰骨形成过程。

　　近年来，抗菌耐药性（AMR）已成为全球公共卫生领域的重大挑战，特别是在骨关节感染的治疗中表现得尤为突出。面对这一问题，研究者们不断探索新的解决方案，以期在不依赖抗生素的前提下，有效控制感染并促进骨组织的再生。本文介绍了一种新型的生物可降解支架材料，该材料由碳酸钙磷（carbonate apatite）和0.4 wt%的银磷酸盐（Ag?PO?）组成，称为CASP支架。这种材料在体内具有多重功能，包括骨生成、支架降解以及通过可见光激活的抗菌活性。研究表明，CASP支架能够在1小时内通过释放Ag?离子展现内在的抗菌效果，并在可见光照射下进一步增强其抗菌能力，通过产生活性氧物种（ROS）实现更高效的细菌清除。这种双重机制不仅提高了抗菌效率，还减少了对宿主细胞的毒性影响，为骨关节感染的治疗提供了新的思路。

在体外实验中，CASP支架展现了良好的生物相容性，对成骨细胞（如MC3T3-E1细胞）的存活率、增殖能力、分化和钙化均未产生显著影响。这表明，CASP支架不仅能够支持骨组织的形成，还能维持其降解特性，确保在骨组织修复过程中与骨骼重塑过程同步进行。通过显微镜观察，可以发现支架表面的细胞形态良好，能够正常附着并扩展，进一步验证了其对成骨细胞的友好性。同时，研究还发现，Ag?离子的释放量控制在相对安全的范围内，不会对细胞造成明显的毒性反应，这为CASP支架在临床应用中的安全性提供了支持。

在体内实验中，将CASP支架植入兔子的股骨缺陷区域，经过4周和12周的观察，发现支架能够有效地促进骨再生，同时保持与纯碳酸钙磷支架（CA）相似的降解速度。在4周后，CASP支架仍然能够维持抗菌活性，对表皮葡萄球菌（S. epidermidis）的杀灭率达到98%以上。尽管在植入初期观察到一定的炎症反应，如红细胞破坏和银离子沉积（hemosiderin），但随着时间的推移，这些反应逐渐被体内代谢机制所清除，最终与CA支架的效果趋于一致。这说明CASP支架虽然在早期可能引起一定的炎症反应，但其整体安全性良好，不会对骨再生过程造成不利影响。

此外，CASP支架的抗菌性能不仅限于特定的细菌种类，还能够对抗多种耐药菌株，包括耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和表皮葡萄球菌。这种广谱抗菌能力使其在骨关节感染治疗中具有更大的应用潜力。同时，支架的可见光激活特性使得其能够在手术过程中通过照射实现抗菌效果，而无需额外的抗生素使用。这种特性不仅有助于减少耐药性的发展，还能够提供一种更安全、更可持续的治疗策略。

值得注意的是，CASP支架的抗菌机制并非单一，而是结合了Ag?离子的持续释放和可见光照射下ROS的生成。Ag?离子能够在无光照射的情况下迅速杀灭细菌，而可见光则通过促进ROS的生成，进一步增强其抗菌效果。这种双重机制为CASP支架提供了更全面的抗菌保护，同时减少了对周围组织的潜在损伤。研究表明，即使在体内，Ag?离子的释放仍能维持较长时间，这使得CASP支架能够在手术后继续发挥抗菌作用，从而有效预防感染的复发。

为了进一步验证CASP支架的长期抗菌性能，研究人员在植入4周后对支架与再生骨组织的组合进行评估，发现其抗菌能力依然显著。这表明，即使在没有持续光照射的情况下，CASP支架仍能通过Ag?离子的释放维持一定的抗菌效果。这种特性对于实际应用具有重要意义，因为并非所有手术场景都能保证足够的光照条件，而支架本身的持续释放机制能够弥补这一不足。

同时，CASP支架的生物可降解性也是其一大优势。在体内，支架能够逐渐被吸收，并由新生骨组织替代。这种特性不仅减少了支架在体内长期滞留带来的感染风险，还能够确保骨组织的自然生长和修复过程不受干扰。与传统非降解性支架相比，CASP支架的降解速度更符合骨组织的再生需求，避免了因支架降解过快或过慢而导致的骨形成与降解失衡问题。

从整体来看，CASP支架不仅具备良好的抗菌性能，还能够促进骨组织的再生，其降解过程与骨组织的自然代谢过程相协调。这种材料的开发为骨关节感染的治疗提供了一种新的解决方案，即通过非抗生素的方式实现感染控制和组织修复。此外，CASP支架的可见光激活特性使其能够在手术过程中直接使用，而无需额外的设备支持，这进一步提升了其在临床中的应用价值。

然而，尽管CASP支架在抗菌和骨再生方面表现优异，其在实际应用中仍存在一些挑战。例如，其抗菌效果依赖于可见光的照射，这意味着在某些深部组织的感染治疗中，可能需要额外的光照设备。此外，虽然Ag?离子的释放浓度被控制在相对安全的范围内，但仍需进一步研究其在不同环境下的长期安全性。未来的研究可以探索如何优化光照条件，以提高CASP支架在深部组织中的抗菌效果，同时评估其在不同动物模型中的表现，以确保其在临床应用中的广泛适用性。

总之，CASP支架作为一种新型的多功能生物材料，具有显著的临床应用前景。其能够同时实现抗菌、骨生成和降解，为骨关节感染的治疗提供了一种非抗生素的替代方案。这一材料的开发不仅有助于应对AMR问题，还能够为骨组织工程领域带来新的思路和方法。未来，随着对光照条件和材料性能的进一步优化，CASP支架有望成为一种更加安全、有效的治疗工具，为骨科手术和感染管理提供新的选择。