超声响应型 mTG 交联明胶/钛酸钡水凝胶治疗感染性骨缺损并促进骨修复

《Journal of Nanobiotechnology》：Ultrasound-activated piezoelectric hydrogel for local infection control and bone repair in osteomyelitis

　　

摘要

与生物膜相关的感染和持续性炎症使得骨髓炎难以根除，同时也难以保持骨修复的能力。在这项研究中，我们开发了一种可通过微生物转谷氨酰胺酶交联的注射用明胶水凝胶，并添加了极化的钛酸钡（BTO）纳米颗粒（mTG-Gel/BTO）。该材料具有压力响应性的电输出特性。在设备设置为1.5 W cm?2、1 MHz和50%占空比的脉冲超声（US）作用下，会产生时间依赖性的氧化活性。这种联合治疗方式降低了耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌（MRSA）和大肠杆菌的存活数量以及与生物膜相关的指标，同时在测试条件下保持了RAW 264.7巨噬细胞的存活率。在脂多糖刺激的巨噬细胞中，mTG-Gel/BTO + US减弱了细胞内氧化相关的荧光现象，增加了与抗氧化相关的转录本，减少了CD86的表达和TNF-α的分泌，并增强了CD206的表达和IL-10的分泌。单独的内皮细胞和成骨细胞实验显示，该材料促进了细胞迁移、网络形成、成骨分化以及基质矿化。在大鼠胫骨MRSA模型中，mTG-Gel/BTO + US减少了细菌负荷和感染相关的骨破坏，并改善了放射学和组织学的修复指标。这些发现支持了一种超声响应型水凝胶策略，该策略结合了局部感染控制与有利于骨修复的细胞环境。该配方将物理嵌入的BTO与酶促交联的明胶基质结合在一起，为不规则缺陷的局部输送提供了一种简单的材料设计。

图形摘要

这种可注射的mTG-Gel/BTO水凝胶将mTG交联的明胶网络与物理嵌入的BTO纳米颗粒相结合，用于局部治疗感染的骨缺损。脉冲超声激活了与BTO相关的压电响应，将ROS生成与抗菌和抗生物膜效应联系起来，并通过电压门控钙通道（VGCC）介导的Ca2?信号传导到巨噬细胞的免疫调节。由此产生的促再生微环境促进了血管生成和成骨反应，最终支持了血管化的骨再生。US：超声；mTG：微生物转谷氨酰胺酶；BTO：钛酸钡；ROS：活性氧；VGCC：电压门控钙通道

与生物膜相关的感染和持续性炎症使得骨髓炎难以根除，同时也难以保持骨修复的能力。在这项研究中，我们开发了一种可通过微生物转谷氨酰胺酶交联的注射用明胶水凝胶，并添加了极化的钛酸钡（BTO）纳米颗粒（mTG-Gel/BTO）。该材料具有压力响应性的电输出特性。在设备设置为1.5 W cm?2、1 MHz和50%占空比的脉冲超声（US）作用下，会产生时间依赖性的氧化活性。这种联合治疗方式降低了耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌（MRSA）和大肠杆菌的存活数量以及与生物膜相关的指标，同时在测试条件下保持了RAW 264.7巨噬细胞的存活率。在脂多糖刺激的巨噬细胞中，mTG-Gel/BTO + US减弱了细胞内氧化相关的荧光现象，增加了与抗氧化相关的转录本，减少了CD86的表达和TNF-α的分泌，并增强了CD206的表达和IL-10的分泌。单独的内皮细胞和成骨细胞实验显示，该材料促进了细胞迁移、网络形成、成骨分化以及基质矿化。在大鼠胫骨MRSA模型中，mTG-Gel/BTO + US减少了细菌负荷和感染相关的骨破坏，并改善了放射学和组织学的修复指标。这些发现支持了一种超声响应型水凝胶策略，该策略结合了局部感染控制与有利于骨修复的细胞环境。该配方将物理嵌入的BTO与酶促交联的明胶基质结合在一起，为不规则缺陷的局部输送提供了一种简单的材料设计。

图形摘要

这种可注射的mTG-Gel/BTO水凝胶将mTG交联的明胶网络与物理嵌入的BTO纳米颗粒相结合，用于局部治疗感染的骨缺损。脉冲超声激活了与BTO相关的压电响应，将ROS生成与抗菌和抗生物膜效应联系起来，并通过电压门控钙通道（VGCC）介导的Ca2?信号传导到巨噬细胞的免疫调节。由此产生的促再生微环境促进了血管生成和成骨反应，最终支持了血管化的骨再生。US：超声；mTG：微生物转谷氨酰胺酶；BTO：钛酸钡；ROS：活性氧；VGCC：电压门控钙通道