来源于蒲公英的多功能碳点具有抗菌、免疫调节、血管生成和成骨活性，用于微环境重塑的骨再生

《Biomaterials Advances》：Multifunctional carbon dots derived from dandelion with antibacterial, immunomodulatory, angiogenic and osteogenic activities for microenvironment-remodeling bone regeneration

　　•铜掺杂碳点通过绿色合成方法从药用蒲公英中制备而来。
•该平台整合了抗菌、免疫调节、促血管生成和成骨作用。
•蒲公英的抗炎特性与Cu2+协同作用，实现微环境重塑。
•这种生物质基纳米平台能够实现感染性骨缺损的多维修复。

引言

感染性和炎性骨缺损，通常由创伤和慢性骨髓炎引起，构成了一个严峻的临床挑战，这主要归因于严重失调的组织微环境阻碍了有效的再生修复[1], [2]。感染微环境的特点是耐药病原体的持续定植，尤其是金黄色葡萄球菌，它们进一步在成熟的生物被膜内强化自身，从而逃避宿主免疫监视和外源性治疗干预[3], [4]。与此同时，持续的病原体刺激导致巨噬细胞向促炎性M1表型异常极化，最终导致活性氧（ROS）的过量积累以及促炎细胞因子（包括TNF-α、IL-1β和IL-6）的大量分泌[5]。这一级联反应引发局部氧化应激状态，并建立了一个慢性炎症环境，抑制成骨细胞活性，降低间充质干细胞的成骨分化潜能，最终破坏骨重塑的精细平衡，导致不可逆的再生失败。

目前的临床标准治疗方案——包括手术清创、靶向抗生素给药和常规骨移植替代物——仅能部分控制局部感染，但在实现全面的功能恢复方面仍显不足[6], [7]。长期和不加选择地使用广谱抗生素不仅促进细菌耐药性的出现和扰乱天然微生物组，而且在根除生物被膜内隔离的病原体方面也证明是无效的。更关键的是，现有的骨修复材料主要仍然是无活性的支架，功能单一，缺乏内在的抗菌和免疫调节协同作用，因此无法主动重建促成骨的微环境。鉴于单一模式的抗感染或促骨策略在应对感染性骨缺损的多方面病理情况方面存在固有的不足，开发能够无缝整合抗生物被膜活性、免疫微环境重塑和血管化成骨能力的下一代纳米治疗药物，代表了骨再生医学中一个至关重要且迫切需要的领域[8], [9], [10]。

碳点（CDs）作为一种新兴的碳基纳米材料，凭借其卓越的生物相容性、固有的酶模拟催化活性和独特的光学特性，在生物医学领域引起了越来越多的研究兴趣[11], [12], [13]。与传统量子点和金属纳米颗粒相比，碳点具有低细胞毒性、良好的生物可降解性和简便的合成方法等显著优势。尤其重要的是，其丰富的含氧表面官能团——主要是羟基和羧基——不仅为进一步的化学功能化提供了充足的锚定位点，还赋予了强大的抗氧化应激清除能力[14]。与其化学合成的同类物相比，生物质来源的碳点具有继承天然生物活性部分的独特优势，从而有效规避了困扰传统碳点的固有生物活性匮乏问题。新出现的证据证实了植物源性、草药源性和藻类源性的碳点在干预骨再生微环境方面的功效。例如，葛根来源的碳点已被证明可以减轻炎症应激并促进干细胞存活，而山药来源的碳点则调节骨代谢并促进基质沉积[15], [16], [17]。然而，原始生物质来源碳点的固有抗菌效力仍然不足以对抗顽固的临床耐药感染和生物被膜介导的病理状态，从而阻碍了抗感染和促再生功能的结合，极大地限制了其转化潜力[18]。

针对这一问题，碳点的功能化修饰提供了一种有吸引力的策略来克服这些限制，将其定位为用于骨修复的多功能、生物相容性纳米平台[12]。许多用作抗炎药的药用植物比传统的非甾体抗炎药（NSAIDs）具有优势，因为它们通常不会引起与非甾体抗炎药相关的胃肠道副作用和其他不良反应。此外，由于其可及性和感知的安全性，使用天然、可食用的植物作为药物的做法正在增加[19]。蒲公英（Taraxacum officinale）是一种典型的药用和食用植物资源，富含天然黄酮类、多酚类和有机酸，具有内在的抗炎和抗氧化特性，使其成为高性能碳点制备的典型绿色前体[20], [21]。Grauso等人[35]对竹叶进行了详细分析，发现咖啡酰槲皮素衍生物是最丰富的次生代谢产物，其次是黄酮类化合物。这些化合物与抗氧化和抗炎特性密切相关。在实验室研究中，这些提取物抑制了免疫细胞中关键炎症分子——一氧化氮和前列腺素E2的产生。这表明蒲公英具有在不诱导细胞毒性的情况下调节炎症反应的潜力[22]。

蒲公英固有的生物活性成分已被证明可以通过抑制促炎细胞因子的释放和调节巨噬细胞极化平衡来减轻过度的局部炎症，从而改善有利于组织再生的免疫微环境[23]。此外，在碳化后，预计蒲公英来源的碳点会保留丰富的含氧表面基团，这些基团可以作为锚定功能性金属离子的强大配位位点，有效解决传统纳米载体常见的低负载效率和次优结合稳定性问题[24]。因此，这种天然有效的平台为构建用于先进骨再生的多功能碳基纳米治疗药物提供了有希望的基础。

金属离子功能掺杂构成了赋予碳点强大抗菌性能的一种有吸引力的策略。在各种候选者中，铜离子（Cu2+）因其广谱且强大的抗生物被膜活性而脱颖而出[25]。Cu2+通过多种机制发挥其杀菌作用，包括破坏细菌细胞膜、耗竭细胞内谷胱甘肽以及激活类铜死亡途径，从而有效根除金黄色葡萄球菌等常见病原体，同时瓦解成熟生物被膜的致密细胞外基质以消除隔离的细菌[26], [27]。此外，铜促进血管生成，这种作用是细胞类型特异性的，主要刺激内皮细胞。其机制涉及激活内皮型一氧化氮合酶途径，促进一氧化氮释放，并调节血管生成因子的活性；它通过上调VEGF表达来促进HUVECs中血管网络的形成[28]。

与硝酸铜等常规铜盐相比，氯化铜（CuCl?）具有更优越的水溶性和更温和的水热掺杂反应条件，有利于Cu2+均匀且稳定地原位整合到蒲公英来源的碳骨架中[29], [30]。这种方法有效规避了传统修饰策略的常见缺陷，包括异质离子负载、弱结合亲和力和明显的浸出。利用碳化蒲公英支架固有的丰富含氧配位基团，碳点基质能够牢固地锚定Cu2+，并在炎症感染微环境中实现受控释放，从而确保强大的抗菌功效，同时减轻与游离铜离子突释相关的细胞毒性风险——从而实现治疗活性和生物安全性之间的最佳平衡。

鉴于上述考虑，我们在此报告了新型铜掺杂蒲公英来源碳点（Cu-D/CDs）的设计和简便的一锅水热法制备，利用天然蒲公英作为绿色碳前体，氯化铜作为功能掺杂剂。所得的Cu-D/CDs有望整合蒲公英的内在抗炎和抗氧化特性与铜离子的强大抗菌和生物被膜破坏功能，从而精确靶向感染性炎性骨缺损的病理微环境。这个整合平台有望协调免疫微环境重塑、耐药细菌清除和生物被膜消除的三重并发作用，共同为随后的骨再生建立一个有利的微环境。这项工作不仅为开发高性能、生物安全的生物质来源抗感染纳米材料提供了一种范式转变的设计策略，而且为解决感染性骨缺损修复这一顽固性挑战提供了基础性的理论框架。

章节片段

Cu-D/CDs的合成与表征

简而言之，将清洗并干燥的蒲公英叶研磨成细粉。将四克粉末在超声处理下分散于160 mL去离子水中10分钟。随后，向蒲公英悬浮液中加入50 mg CuCl2·2H2O，并将混合物转移至聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中。水热反应在180 °C下进行10小时，获得棕黄色液体。将液体以12000 rpm离心15分钟，取上清液。

Cu-D/CDs的表征与鉴定

在本研究中，以蒲公英为原料，通过一步水热法成功制备了铜掺杂碳点（Cu-D/CDs）。进行了一系列表征测试，以系统研究所合成Cu-D/CDs的形貌、晶体结构和元素组成。

透射电子显微镜（TEM）图像（图1A）显示，Cu-D/CDs表现出均匀的粒径分布，平均直径为2.52 nm。高分辨率

结论

总之，我们通过简便的一锅绿色水热法成功制备了氯化铜掺杂的蒲公英来源碳点（Cu-D/CDs），并系统研究了其在感染性炎性骨缺损背景下的治疗潜力。体外实验证实，Cu-D/CDs能有效根除耐药细菌，引导巨噬细胞向促再生表型极化，并缓解氧化应激，同时表现出

CRediT作者贡献声明

Mingyu Bai：写作——初稿，方法学。Chenrui Wang：概念化。Jie Lu：数据管理。Zheng Wang：方法学，调查。Yilin Ping：软件。Wenze Han：可视化，验证。Xuedong Deng：资源。Xi Chen：形式分析。Xiuping Wu：资金获取。Li Bing：资金获取。

伦理批准与参与同意

动物实验按照山西省《实验动物管理条例》和《实验动物护理与使用指南》进行，经山西医科大学伦理委员会批准（编号245，2023）。尽一切努力减少所用小鼠的数量并减轻其痛苦。

资金

本工作受国家自然科学基金（82470959）、山西省留学人员管理委员会研究项目（2024-076）、山西省回国留学人员科研活动项目（20240016）、山西省中医药管理局科研项目（2024ZYYB050）、口腔疾病防治国家重点实验室重点开放项目（SKLOD2025OF07）、山西省科学和

利益冲突声明

作者声明没有需要披露的利益冲突。

致谢

我们感谢实验室所有研究人员的技术支持。

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