阳离子化脱钙骨基质(Qx-D)的构建及其在感染性骨缺损治疗中的双功能应用

本研究创新性地通过希夫碱反应将大分子季铵盐(QPEI)修饰于脱钙骨基质(DBM)，构建出兼具抗菌与成骨性能的双功能支架Qx-D。实验证实Q10-D对金黄色葡萄球菌(S. aureus)、大肠杆菌(E. coli)和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)的抗菌率超99.9%，且体内外实验显示其显著促进感染性骨缺损修复。该研究为抗生素替代策略提供了新思路，对骨科植入物功能化设计具有重要指导意义。

　　

研究背景与意义

感染性骨缺损(IBDs)的治疗是骨科临床的重大挑战，主要致病菌如金黄色葡萄球菌(S. aureus)和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)易形成生物膜，导致抗生素耐药和植入失败。脱钙骨基质(DBM)虽具有天然孔隙结构和成骨活性，但缺乏抗菌性能。本研究通过化学修饰赋予DBM抗菌功能，构建双功能支架Q_x-D，为解决感染与骨再生同步难题提供新策略。

材料设计与表征

采用希夫碱反应将季铵盐聚合物(QPEI)共价接枝至DBM表面，合成不同投料比的Q_x-D（x=5,10,15）。X射线光电子能谱(XPS)显示N 1s峰位偏移至402.5 eV，证实QPEI成功修饰；热重分析(TG)表明Q_x-D热分解温度提升，结构稳定性增强。扫描电镜(SEM)显示DBM孔隙结构保留，利于细胞浸润。

抗菌性能评估

体外实验表明，Q_x-D对S. aureus、E. coli和MRSA的抗菌效率均达99.9%。共聚焦显微镜(CLSM)活/死染色显示Q_x-D组细菌大量死亡（红色荧光），而DBM组细菌活跃（绿色荧光）。SEM观察到Q10-D表面细菌黏附最少，证实其接触杀灭特性。值得注意的是，QPEI的烷基链通过破坏细菌细胞膜发挥广谱杀菌作用，且对耐药菌有效。

生物相容性与成骨活性

溶血率<5%和细胞活性>70%证明Q_x-D生物安全性良好。骨髓间充质干细胞(BMSCs)在Q10-D表面铺展良好，细胞骨架伸展明显。碱性磷酸酶(ALP)染色显示，Q10-D组与DBM组成骨分化标志物表达相当，表明QPEI修饰未损害DBM的成骨诱导能力。

体内治疗效果

大鼠股骨感染模型显示，Q10-D组术后3天菌落数显著低于DBM组，炎症细胞浸润减少。微CT定量分析表明，Q10-D组4周时骨体积分数(BV/TV)达66%，较DBM组(35%)显著提升；8周时缺损近乎闭合。Masson染色可见Q10-D组成熟骨组织（蓝色区域）占比更高，证实其加速感染环境下的骨再生。

机制与创新性

QPEI通过静电作用破坏细菌膜结构，而DBM的天然成分（如骨形态发生蛋白BMPs）持续招募成骨细胞。这种“杀菌-成骨”双功能协同避免了抗生素耐药问题，且希夫碱反应条件温和，适合规模化生产。研究为感染性骨缺损的临床治疗提供了兼具转化潜力与科学价值的解决方案。