仿生纳米涂层介导的近红外长余辉发光光动力系统用于治疗假体周围关节感染

《Biomaterials Advances》：Bionic nanocoating-mediated near-infrared persistent luminescence photodynamic system for the treatment of periprosthetic joint infection

　　

- 仿生钛涂层能够响应酸性关节感染环境。
- 持久发光特性可在无需持续照射的情况下杀灭细菌。
- 短脉冲近红外光可消灭深层组织细菌生物膜。
- 涂层释放的锌可促进局部骨生长与整合。

## 引言

关节置换术（TJA）被广泛认为是21世纪最成功的外科干预之一，极大地恢复了关节活动功能并改善了患者的生活质量[1]。在中国，此类手术数量增长迅速，年增长率接近20%[2]。日益扩大的手术基数导致术后并发症数量上升，其中最为严重的是假体周围关节感染（PJI）[3]。PJI已成为关节置换术失败的主要原因。虽然初次关节置换术后的感染率相对较低，为0.5%–1.9%[4]，但PJI占髋关节翻修术的17.7%和膝关节翻修术的46.2%[5]。处理这些感染给医疗系统带来了沉重的临床和经济负担，同时显著增加了翻修手术的复杂性[6]。

诸多临床挑战源自革兰氏阳性菌，特别是金黄色葡萄球菌（*S. aureus*），它是PJI的主要病原体[7]。这些细菌极易附着于金属植入物表面，并分泌胞外多聚物（EPS）建立致密生物膜[8],[9],[10]。由此形成的生物膜屏障限制了抗生素的渗透，并使细菌免受宿主免疫系统的清除[11]。标准临床管理依赖于手术清创——包括保留假体清创术（DAIR）或分期翻修——并联合长期全身抗生素治疗[12]。然而，这些翻修手术创伤性极大。所需的长时间制动增加了深静脉血栓等继发并发症的风险[13]。大剂量抗生素方案还会加速细菌耐药并诱导全身毒性。为应对这一挑战，表面工程主要集中在抗黏附涂层、接触杀菌涂层和药物缓释涂层[14],[15]。然而，这些传统方法面临不同的转化局限：抗黏附表面仅提供被动防御，无法消灭已附着的细菌，且在机械磨损后迅速失效[16],[17],[18]；接触杀菌涂层存在"死菌遮蔽效应"，并存在诱导耐药性和局部细胞毒性的固有风险[19],[20]；药物缓释平台难以平衡初始爆发释放与长期维持，其长期亚抑菌浓度的浸出常常推动抗生素耐药[21],[22]。因此，开发一种微环境响应性、非抗生素策略，以实现按需、深层组织细菌清除，仍是一项关键优先事项。

抗菌光动力疗法（aPDT）提供了有别于传统抗生素的极具吸引力的替代方案。通过使用特定波长的光激活光敏剂（PS），aPDT可产生具有细胞毒性的活性氧（ROS）——包括单线态氧（1O?）——对细菌膜、蛋白质和核酸造成多靶点氧化损伤[23]。该机制提供了广谱杀菌活性，可降解生物膜，并最大限度地降低获得性耐药风险[24],[25],[26]。然而，对于PJI，挑战在于光的传递：可见激发光穿透组织的能力差，限制了传统aPDT仅能用于浅表感染。研究人员已利用金属有机框架[27]和上转换纳米粒子[28]等纳米载体，将激发窗口移至近红外（NIR）范围。虽然这改善了组织穿透性，但维持治疗性ROS水平所需的连续NIR照射通常会对周围健康组织造成热损伤。

近红外持久发光纳米粒子（NLPLNPs）绕过了对持续照射的依赖。由于它们在外部光源移除后仍能维持光子发射，因此降低了热损伤风险[29],[30]。铬掺杂氧化镓锌（ZnGa?O?:Cr3?）纳米粒子展现出近红外余辉[31],[32],[33]，其发射光谱与特定光敏剂的吸收带重叠[34],[35]。在晶格中共掺杂铕（ZnGa?O?:Cr3?,Eu3?；ZGO NP）可产生能量陷阱，可在术前进行预充电，之后使用808 nm激光重新激活。这使得可以通过短暂、周期的NIR照射而非持续加热来实现深层组织光动力激活[36],[37],[38]。为了稳定这些纳米粒子并最大化光敏剂负载，树枝状介孔二氧化硅纳米粒子（DMSNs）提供了一种有效的结构支架[39]。剩余的转化挑战在于如何将这些材料与临床硬件对接，以提供局部、按需的抗菌治疗。

仿生粘附技术，灵感源自海洋贻贝的锚定机制，为在骨科植入物上制备功能性纳米涂层提供了一种实用方法[16],[40]。富含儿茶酚基团的天然多酚可自发粘附于几乎任何固体基底[41],[42],[43]。这些多酚还可与过渡金属离子配位组装成金属-多酚络合物（MPNs）。这种超分子架构增强了涂层的机械稳定性，同时还能在局部PJI特有的弱酸性微环境中降解，从而实现治疗载荷的靶向释放[44],[45]。

我们利用这种化学策略设计了针对钛（Ti）植入物的微环境响应性光动力涂层（图1A）。核心光动力系统（PL-PS）由封装在DMSN支架中的持久发光ZGO NP组成，并与光敏剂硅酞菁二氯化物（Si-Pc）共价偶联。我们用单宁酸（TA）对这些纳米复合材料进行功能化修饰，并通过铜离子（Cu2?）配位的MPN将其锚定在Ti表面。在临床场景中，涂层植入物在手术植入前使用紫外线进行预激活。如果发生PJI，局部酸性微环境将触发TA-Cu2?网络的断裂，释放预先充电的PL-PS纳米系统。周期性外部808 nm NIR激光激发则驱动Si-Pc产生具有细胞毒性的ROS，实现广谱杀菌活性（图1B）。降解涂层持续局部释放的锌离子提供了额外的成骨益处，以促进骨整合。通过同时应对抗生素耐药性和连续NIR照射相关的组织热损伤问题，这种涂层为关节置换术相关感染提供了一种实用的、可转化的治疗策略。

### 材料

硝酸锌水合物、硝酸镓水合物、硝酸铬水合物、硝酸铕水合物和Si-Pc均购自上海阿拉丁生化科技有限公司。氢氧化铵、异丙醇、三乙醇胺（TEA）和正硅酸乙酯（TEOS）购自上海麦克林生化科技有限公司。十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、无水乙醇、水杨酸钠、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和3-氨基丙基三甲氧基硅烷（APTES）等。

### PL-PS体系的合成与表征

纳米粒子表面电荷在合成过程中依次变化（图2A）。ZGO NP维持正Zeta电位，在DMSN包覆后转变为负值。氨基化（-NH?）和Si-Pc的接附则恢复了正电位值。在XRD图谱中，ZGO NP匹配标准晶体结构参考，ZGO NP@DMSN呈现额外的宽非晶峰，这是DMSN的典型特征（图2B）。ZGO NP具有均匀的球形形态（直径约10 nm），而ZGO NP@DMSN则……

### 关键发现与材料设计依据

我们设计了一种仿生PL-PS@Ti纳米涂层，提供了一种双重治疗策略：深层组织抗菌活性和增强骨整合，用于治疗PJI。传统aPDT提供了广谱、无耐药的杀菌作用[46]。然而，其对深部感染的临床应用通常受限于可见激发光的组织穿透力差。上转换纳米粒子（UCNPs）已通过将激发窗口转移至……优雅地解决了这一问题。

### 结论

这种仿生PL-PS@Ti纳米涂层通过将微环境响应的细菌清除与局部骨再生相结合，为PJI提供了一种双重治疗策略。通过利用光刺激的持久发光，该平台绕过了传统光动力疗法的组织穿透限制，实现了在808 nm NIR激活下可重复的深层组织灭菌。作为一种完全无抗生素的干预手段，这种功能化表面提供了一种实用的、可转化的……

### 缩写

| 缩写 | 全称 |
|------|------|
| ANOVA | 方差分析 |
| aPDT | 抗菌光动力疗法 |
| APTES | 3-氨基丙基三甲氧基硅烷 |
| BMSCs | 骨髓间充质干细胞 |
| BV | 骨体积 |
| BV/TV | 骨体积分数 |
| CCK-8 | 细胞计数试剂盒-8 |
| CFU | 菌落形成单位 |
| CTAB | 十六烷基三甲基溴化铵 |
| DAIR | 保留假体清创术 |
| DMEM | 改良杜氏鹰血清 |
| DMF | N,N-二甲基甲酰胺 |
| DMSNs | 树枝状介孔二氧化硅纳米粒子 |
| DPBF | 1,3-二苯基异苯并呋喃 |
| EDS | 能量色散X射线光谱 |
| EDTA | 乙二胺四乙酸 |

### CRediT作者贡献声明

薛志瑞：原稿撰写、验证、方法学、调查研究、形式分析、数据整理、概念化。崔金全：资源、方法学、调查研究、概念化。张晓磊：方法学、概念化。王鹏：方法学、调查研究、概念化。陈璐：调查研究、形式分析、概念化。刘元琪：可视化、方法学、调查研究、概念化。郝玉媛：验证、调查研究、数据整理……

### 写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在本文撰写过程中，作者使用了Gemini 3.1 pro以提高可读性和润色语言。在使用该工具后，作者对内容进行了审查和编辑，并对出版物的内容承担全部责任。

### 利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文工作的竞争性经济利益或个人关系。

### 致谢

本工作得到了国家重点研发计划（增材制造与激光制造专项）（2023YFB4606705）；国家自然科学基金（批准号81672185、81702152和52201299）；山东省青年专家泰山学者计划（编号tsqn202211348）；山东省自然科学基金（批准号ZR2022MH222、ZR2023MH209和ZR2022QE192）的支持。

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