基于多糖网络的工程化骨科植入物通过协同抗菌防御和成骨再生增强PI3K-AKT/HIF-1介导的开放性骨折治疗

《Science China-Materials》：Polysaccharide-based networks-engineered orthopedic implant for synergistic antimicrobial defense and osteogenic regeneration to potentiate PI3K-AKT/HIF-1-mediated open fractures treatment

　　

摘要

四肢开放性骨折因其高感染率而成为全球性重大临床挑战，感染可进一步阻碍骨折愈合，并导致显著的发病率与死亡率。因此，开发兼具抗菌和成骨特性的骨科植入物表面至关重要。本研究开发了一种基于天然多糖的生物大分子网络，以实现抗菌防御与成骨再生的协调统一。通过精确调控交联剂、成膜剂和功能性组分，我们在抗菌效能与生物相容性之间实现了最佳平衡。此外，采用席夫碱反应和挥发性成膜技术，在钛（Ti）合金骨板表面制备了一种功能性涂层（Ti-GOED）。Ti-GOED通过有效抑制肽聚糖合成、破坏细菌细胞壁并损害膜完整性，展现出优异的抗菌活性（对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀灭率超过99%）。同时，Ti-GOED在体外促进骨髓来源间充质干细胞（BMSCs）增殖，增强碱性磷酸酶活性，增加矿化钙沉积，并激活HIF-1信号通路以刺激成骨分化和骨形成。在大鼠胫骨开放性骨折模型中，Ti-GOED有效抑制了早期感染并促进骨再生体内表现。本研究为骨科植入物的生物功能化提供了策略，在骨折固定和感染预防方面具有广阔的应用前景。