PEG-EGaIn纳米胶囊的双重革命：抗菌-成骨协同作用在感染性骨缺损修复中的突破

本研究针对感染性骨缺损修复的临床难题，开发了兼具抗菌与骨再生功能的PEG-EGaIn纳米胶囊。通过FE-SEM证实其对革兰氏阴性/阳性菌的膜破坏作用（1.5-3%浓度梯度），并首次发现其通过上调RUNX2、OCN等基因促进rBMSCs矿化。μ-CT显示PEG-EGaIn-Col-Ap-lamellar支架使大鼠颅骨缺损近乎完全愈合，为抗耐药菌感染与骨再生提供了创新解决方案。

　　

感染性骨缺损是骨科临床的重大挑战，传统治疗面临两大困境：抗生素耐药性导致感染控制困难，而单纯骨修复材料缺乏抗菌功能。更棘手的是，生物膜（biofilm）形成的"保护罩"使细菌对抗生素的耐药性提升百倍。与此同时，金属植入物引发的慢性炎症和纤维包裹又可能阻碍骨愈合。这种"感染-修复"相互制约的恶性循环，促使科学家寻求兼具抗菌和成骨活性的新型材料。

清华大学的研究团队将目光投向液态金属（liquid metal, LM）领域。镓（Ga）作为"特洛伊木马"可干扰细菌铁代谢，其合金EGaIn（eutectic gallium-indium）更因独特的液态特性在纳米尺度展现抗菌潜力。但液态金属与骨细胞的相互作用机制尚属空白。该团队创新性地将PEG修饰的EGaIn纳米胶囊（PEG-EGaIn nanocapsules）与胶原-磷灰石（Col-Ap）层状支架结合，在《npj Biofilms and Microbiomes》发表了这项突破性研究。

研究采用三大关键技术：场发射扫描电镜（FE-SEM）动态观察细菌膜损伤机制；钙黄绿素（calcein）活细胞成像追踪rBMSCs矿化过程；μ-CT三维量化大鼠颅骨缺损模型（直径5mm）的新骨形成。临床分离的耐多药肺炎克雷伯菌（K. pneumoniae 226）和标准菌株用于抗菌评价。

抗菌机制解析
FE-SEM捕捉到纳米胶囊与细菌的"致命邂逅"：1.5%浓度即可使大肠杆菌K-12（E. coli-K12）表面产生火山口样凹陷（图1a），3%浓度导致金黄色葡萄球菌（S. aureus）膜泡化破裂（图2b）。铜绿假单胞菌（PAO1）更出现异常分裂（图3b），而肺炎克雷伯菌生物膜基质（EPS）被彻底瓦解（图4b2）。这种"浓度依赖性膜攻击"归因于Ga³⁺通过转铁蛋白受体（TfR1）途径潜入细胞，干扰铁代谢。

成骨性能突破
0.75 g/L以下浓度PEG-EGaIn使rBMSCs存活率>90%（图5d），并触发显著的矿化行为：第7天可见钙磷结晶核（图6a），第16天形成连续矿化基质（图6b），与溶酶体标记LysoTracker高度共定位（Pearson系数>0.8）。qPCR显示RUNX2（成骨关键转录因子）表达上调3倍，而矿化抑制因子ENPP1/PC-1被持续抑制（图7e）。

动物实验验证
植入12周后，PEG-EGaIn-Col-Ap-lamellar组的骨体积分数（BV/TV）达78.5%，显著高于乙醇处理组（62.3%）（图8e）。组织学显示新生骨组织富含血管和骨细胞（图8d），Masson染色证实成熟骨基质形成（图8fa1），而对照组仅见纤维组织填充（图8fc2）。

这项研究首次阐明液态金属纳米材料通过"膜攻击-铁代谢干扰"双途径杀菌（图9），同时激活骨骼内感受（skeletal interoception）促进骨再生。其创新性在于：①突破抗生素依赖模式，1.5%浓度即有效对抗耐多药菌；②生长因子-free环境下实现基因级成骨调控；③建立"抗菌-成骨"剂量平衡（0.75 g/L为临界值）。

该成果为感染性骨缺损提供了"一石二鸟"的治疗策略，其技术路线可拓展至其他金属生物材料设计。未来研究需进一步验证长期体内生物安全性，并探索纳米胶囊在骨质疏松骨折等复杂场景的应用潜力。