共价整合姜黄素构建哌嗪基聚氨酯-脲“支架即药物”促进MRSA感染性骨再生

《Materials Today Bio》：Covalently integrated curcumin turns piperazine-based polyurethane-urea into a scaffold-as-drug for infected bone repair

研究人员通过将姜黄素（CUR）共价整合到聚氨酯-脲（PUU）中，开发了一种“支架即药物”（scaffold-as-drug）策略。CUR作为生物活性扩链剂，用于构建治疗性3D打印支架。CUR的共价整合实现了持续、与降解相关的生物活性可利用度。CUR-P-PUU支架抑制耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）感染并调节再生免疫。该支架在MRSA感染缺损模型中促进骨再生。

感染性骨缺损（infected bone defects）中细菌定植、过度炎症、氧化应激和成骨受损并存并相互强化，单一结构填充或短时抗菌递送难以满足长期、空间稳定的生物活性需求。现有支架多先构建基体，再通过物理共混、吸附或涂层加载治疗分子，药物与材料仅弱连接，易出现早期突释、活性快速丧失以及材料降解与组织再生不同步；多组分复杂设计还会增加制备与转化难度。基于此，研究人员提出“支架即药物”（scaffold-as-drug）策略，将生物活性分子共价纳入聚合物主链，使治疗可用性与支架降解过程相联系。该研究发表于《Materials Today Bio》，以姜黄素（curcumin，CUR）为反应性酚类扩链剂、哌嗪为成脲结构扩链剂，构建共价整合CUR的哌嗪基聚氨酯-脲（piperazine-based polyurethane-urea，P-PUU）可打印支架，并验证其用于耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（methicillin-resistant Staphylococcus aureus，MRSA）感染骨缺损修复的潜力。

关键技术方法：采用两步预聚/扩链合成P-PUU与CUR-P-PUU，并以分子动力学模拟、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、¹H核磁共振（¹H NMR）、X射线光电子能谱（XPS）、凝胶渗透色谱（GPC）和高效液相色谱（HPLC）进行材料表征及残余CUR定量；通过直接墨水书写3D打印制备多孔支架，评价形貌、孔隙率、润湿性、热稳定性、力学、降解与CUR释放；体外采用第3代Sprague–Dawley大鼠骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs；上海中乔新舟生物科技有限公司）、RAW264.7细胞和MRSA（ATCC 43300）评价细胞相容性、抗炎、自由基清除、抗菌及成骨；体内采用8周龄、250–300 g雄性Sprague–Dawley大鼠MRSA感染颅骨缺损模型，结合micro-CT、组织学、免疫荧光、Western blot和RT–qPCR评价。

研究结果：2.1 分子设计与CUR-P-PUU聚合物的化学表征：分子模拟、¹H NMR、FTIR、XPS、GPC及HPLC结果表明，CUR酚羟基参与氨酯键形成并共价进入P-PUU骨架；CUR引入降低链迁移、增强链间作用，纯化后残余可提取CUR低于0.10 wt%。2.2 3D打印支架的结构保真、力学行为、降解与CUR可用性：3D打印支架保持互连孔结构和孔隙率；CUR-P-PUU表观接触角降低、吸水增加，热稳定性、压缩模量、循环压缩响应和拉伸强度提高且断裂伸长率相当；在PBS和蛋白酶K（proteinase K）中呈中间且渐进的失重，CUR检测量在12周内逐渐增加，并与酶促失重呈强正相关（R²=0.949），支持持续、降解相关CUR可用性。2.3 3D打印CUR-P-PUU支架的细胞相容性：Live/Dead染色、F-actin染色、CCK-8和DNA定量显示BMSCs在CUR-P-PUU上存活、铺展和增殖良好，与对照无显著差异。2.4 体外抗炎、自由基清除和抗菌活性：LPS刺激RAW264.7巨噬细胞中，含CUR组降低IL-6、IL-1β和TNF-α荧光信号；ABTS实验显示CUR-P-PUU在12周内维持较稳定自由基清除能力；对MRSA，含CUR组降低浮游菌CFU并提高死菌/膜损伤菌比例，P-PUU本身作用有限。2.5 CUR-P-PUU支架的体外促成骨作用：ALP染色与活性、ARS矿化、Western blot（RUNX2、OCN、OPN、COL I）和RT–qPCR（Runx2、Bglap、Spp1、Col1a1）显示含CUR支架促进成骨分化和基质成熟；物理混合CUR/P-PUU在短期体外培养中响应更强。2.6 大鼠MRSA感染颅骨缺损模型中的体内骨再生：micro-CT显示CUR-P-PUU组在6周和12周缺损填充及连续骨桥最明显，BV/TV和BMD高于对照、P-PUU和CUR/P-PUU；H&E和Masson三色染色显示更多组织长入、胶原沉积和新生骨。2.7 体内抗菌和免疫调节作用：植入1周后CUR-P-PUU组局部MRSA CFU最低；6周时CD86降低、CD206和CD163升高，Arg-1/Arg1升高、iNOS/Nos2及IL-6/TNF-α降低，提示局部炎症较低、修复相关表型增强。2.8 局限性和转化考虑：CUR-P-PUU为概念验证；该策略外推需分子特异性验证反应性、聚合兼容性、生物稳定性及对材料性能和可打印性的影响；未系统评估批量一致性、墨水稳定性、放大打印、后处理和灭菌；CUR用量主要按聚合计量和可打印性选择而非生物剂量优化；体内支架降解及CUR或CUR衍生种未直接定量，具体分子机制尚未阐明。

讨论部分强调，物理混合与共价整合之间存在“早期可利用性”与“长期可持续性”的权衡：物理混合CUR/P-PUU早期CUR可用性较高，短期体外成骨响应更强，但可能快速释放和耗竭；CUR-P-PUU通过共价整合限制CUR快速流失，提供更平缓、降解相关的CUR可用性，更契合感染性骨修复的长期抗菌、免疫调节、自由基清除和成骨支持需求。体内1周较低细菌负荷、6周较少炎症且更促修复的局部免疫表型以及增强的骨再生，均支持该材料设计。研究结论（译文）：本研究通过将CUR共价整合到可3D打印的哌嗪基PUU骨架中，构建了支架即药物策略。将CUR作为反应性酚类扩链剂、哌嗪作为成脲结构扩链剂，使CUR由物理负载药物转化为支架形成聚合物的结构和功能组分。该设计保留了可打印性和互连孔隙率，改善了表观润湿性和力学性能，并提供持续、降解相关的CUR可用性。尽管物理混合CUR/P-PUU在体外显示更强的短期成骨响应，CUR-P-PUU具有更渐进的CUR可用性，并表现抗菌、自由基清除、免疫调节和成骨活性。在大鼠MRSA感染颅骨缺损模型中，CUR-P-PUU降低细菌负荷，与较少炎症、更促修复的局部免疫表型相关，并增强骨形成和矿化。总体而言，这些发现支持共价CUR整合作为一种有前景的材料设计策略，可将结构和治疗功能结合于可生物降解支架中。