基于声动力疗法(SDT)的ROS平衡工程化生物异质结水凝胶促进感染性骨再生研究

针对深部缺氧感染环境中抗生素耐药性和组织再生受阻的难题，研究人员开发了一种受根瘤菌调控机制启发的多功能GSH-SF/PeMA/MXene-TiO2 （SP-MT）水凝胶。通过超声触发动态ROS调控，该水凝胶实现了抗菌活性的时空控制，同时消除残余ROS促进组织再生。体内实验证实其能有效清除生物膜、促进血管生成并激活TGF-β/SMAD通路，为深部感染（如牙周炎）治疗提供了创新解决方案。

　　

深部组织感染如牙周炎的治疗长期面临两大难题：抗生素耐药性导致的细菌清除困难，以及过度炎症反应阻碍组织再生。传统声动力疗法(SDT)虽能通过超声激活声敏剂产生活性氧(ROS)杀菌，但ROS过量积累会引发炎症级联反应，形成"杀菌-伤组织"的恶性循环。更棘手的是，深部感染部位的缺氧微环境会进一步削弱抗菌效果和细胞修复能力。如何实现ROS的动态平衡——在感染初期高效杀菌，后期消除过量ROS促进再生——成为突破治疗瓶颈的关键。

针对这一挑战，上海第九人民医院的研究团队从根瘤菌与豆科植物的共生机制中获得灵感，开发出具有ROS双向调控功能的GSH-SF/PeMA/MXene-TiO₂
（SP-MT）复合水凝胶。该研究通过仿生设计将MXene@TiO₂
异质结（模拟豆血红蛋白的氧调节功能）与含谷胱甘肽(GSH)的丝素蛋白/果胶酸甲酯水凝胶（模拟固氮酶的抗氧化特性）结合，构建出能响应超声刺激的"智能开关"系统。相关成果发表在《Bioactive Materials》上，为感染性骨缺损治疗提供了全新策略。

研究主要采用四大技术方法：(1)通过水热法合成MXene@TiO₂
异质结，结合SEM/TEM/XPS表征材料特性；(2)光交联法制备可注射水凝胶，通过流变学测试评估机械性能；(3)体外建立细菌生物膜模型，结合RNA-seq分析抗菌机制；(4)建立小鼠皮肤缺损和牙周炎模型，通过micro-CT和组织染色评估再生效果。

3.1 水凝胶的制备与表征
通过硫醇-烯点击化学反应构建的SP-MT水凝胶展现出优异的可注射性和力学性能（SP-200组压缩应力达23.25±1.05 kPa）。MXene@TiO₂
的引入使水凝胶孔径从156.2±18.8 μm（SP-0）降至69.6±23.2 μm（SP-200），FTIR显示β-折叠结构比例从10.36%增至21.54%，这种结构变化显著增强了材料稳定性（21天降解率<10%）。

3.2 声动力性能
密度泛函理论(DFT)计算揭示MXene@TiO₂
具有更低O₂
吸附能（-4.254 eV）。超声激活下，SP-MT组ROS生成量较对照组提高3倍（DPBF消耗实验），同时表现出类过氧化物酶(POD)活性，能在一周内完全清除H₂
O₂
。这种"生成-清除"双功能实现了ROS的动态平衡。

3.4 体外抗菌效应
针对牙周炎主要病原体牙龈卟啉单胞菌(P. gingivalis)，SP-MT(+)组杀菌率达98.72±0.42%。RNA-seq显示该处理显著抑制肽聚糖合成通路（GO富集p<0.001），膜电位探针DioC2(3)检测证实其能破坏细菌电子传递链(ETCs)。对成熟生物膜的清除效率达90.3%，优于临床常用抗菌剂。

3.5 促成骨与抗氧化
在50 μM H₂
O₂
诱导的氧化应激模型中，SP-MT组使MC3T3-E1细胞的线粒体ROS降低67%（Mito-SOX检测），同时Runx2蛋白表达提升2.1倍。GSEA分析证实该处理激活TGF-β-SMAD通路（NES=1.82），促进胶原沉积和矿化结节形成。

3.6 体内疗效验证
在感染皮肤缺损模型中，SP-MT(+)组14天伤口愈合率提高40%，CD31⁺
/α-SMA⁺
血管密度增加3倍。牙周炎模型显示其使CEJ-ABC距离减少58.7%（p<0.001），骨密度(BMD)提升至326.7 mgHA/cc，显著优于对照组。

这项研究开创性地将生物异质结工程与动态ROS调控相结合，突破了传统抗菌材料"只杀不修"的局限。其创新性体现在：(1)仿生设计模拟自然共生系统的氧化还原平衡机制；(2)MXene@TiO₂
异质结实现超声能量-化学信号的精准转换；(3)水凝胶降解产物具有持续抗氧化活性。该技术不仅适用于牙周炎治疗，对糖尿病足溃疡、骨髓炎等慢性感染性疾病也有重要应用前景。未来通过优化超声参数和载药系统，有望进一步推动其临床转化。