關注我們鉆石開放獲取 免收版面費

作 者

帥詞俊、師曉欣、楊鋒、田海鋒、馮佩

機 構

中南大學

Citation

Shuai C J, Shi X X, Yang F, Tian H F, Feng P. 2024. Oxygen vacancy boosting Fenton reaction in bone scaffold towards fighting bacterial infection. Int. J. Extrem. Manuf.6015101.

免費獲取全文

https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad01fd

撰稿 | 文章作者

01

文章導讀

人工骨移植后的細菌感染已成為一個嚴重的并發癥，因為骨缺損常伴隨著感染和開放性傷口，而缺乏抗菌功能的骨支架更是為細菌提供了生長和繁殖的環境，這可能會導致骨移植失敗甚至更嚴重情況下造成截肢。目前的抗生素治療雖然直接，但過度使用可能導致藥物毒性，甚至誘發超級細菌的產生。研究者們已經嘗試了不同的抗菌策略，但如Ag、Cu和Zn這些重金屬的生物相容性仍存在爭議。鑒于這些問題，中南大學機電工程學院、極端服役性能精準制造全國重點實驗室的帥詞俊教授、馮佩副教授在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上發表《氧空位助力芬頓反應對抗骨支架細菌感染》的研究型文章，創新性地提出了將含有豐富氧空位缺陷的Fe摻雜TiO2納米顆粒結合到生物可降解的聚合物材料中，并通過選擇性激光燒結技術構建具有良好抗菌活性的復合骨支架，從而增強芬頓反應的效率，實現更高效和更安全的骨支架抗菌功能。圖1（左上和右上）分別展示了通過高能球磨法合成富含氧空位缺陷的Fe摻雜TiO2納米顆粒以及通過選擇性激光燒結技術制備抗菌復合骨支架的過程，（左下）展示了抗菌復合骨支架基于芬頓反應富集H2O2及生成羥基自由基（·OH）的示意圖，（右下）展示了氧空位助力芬頓反應促進抗菌復合骨支架對抗細菌感染的示意圖。

關鍵詞

細菌感染；骨支架；選擇性激光燒結；芬頓反應；抗菌性能

亮 點

• 采用高能球磨法構建富含氧空位缺陷的抗菌材料；

• 采用選擇性激光燒結技術制備具有個性化形狀和多孔結構的支架；

• 支架中富含氧空位的抗菌物質能夠吸附H2O2，富集在細菌感染部位；

• 富集的H2O2能夠增強芬頓反應效率，誘導產生更多的·OH；

• 支架展現出與人體骨相匹配的力學性能和良好的生物相容性。

圖1（左上和右上）高能球磨法合成富含氧空位缺陷的Fe摻雜TiO2納米顆粒及選擇性激光燒結技術制備抗菌復合骨支架的過程示意圖；（左下）抗菌復合骨支架基于芬頓反應富集H2O2及生成·OH的示意圖；（右下）氧空位助力芬頓反應促進抗菌復合骨支架對抗細菌感染的示意圖。

02

研究背景

全球每年因創傷、感染、腫瘤等導致的骨缺損患者約2000萬人，亟需進行骨缺損修復。目前已有采用生物材料來構建人工骨支架用于修復骨缺損的研究報道。但由于其天然缺乏抗菌功能，細菌感染成為需要突破的瓶頸問題，特別是大腸桿菌和金黃色葡萄球菌等細菌感染使得病人經常面臨移植失敗的風險。當前的治療策略，如抗生素治療和抗菌涂層，盡管取得了一些效果，但仍面臨諸多挑戰，如藥物毒性、抗生素耐藥性以及關于重金屬的生物相容性問題。因此，開發更有效且更安全的抗菌策略迫在眉睫。

03

研究內容

本研究采用高能球磨法成功合成了富含氧空位缺陷的Fe摻雜TiO2（OV-FeTiO2）納米顆粒，并將其結合到聚己內酯/聚乙醇酸（PCL/PGA，標記為PCLGA）生物可降解聚合物中，通過選擇性激光燒結（SLS）技術制備得到具有抗菌功能的PCLGA/OV-FeTiO2復合骨支架。重點研究了OV-FeTiO2納米顆粒在高能球磨過程中缺陷結構的演變機制，以及構建PCLGA/OV-FeTiO2復合骨支架基于芬頓（Fenton）反應的抗菌機制，為之后進一步的研究優化和應用提供了重要的理論基礎。

具體來說，在球磨過程中強機械沖擊的作用下，納米TiO2和Fe3O4復合粉末經過多次焊合和斷裂，較大粒徑的Fe3O4納米顆粒被較小粒徑的TiO2納米顆粒所包裹，Fe原子進入TiO2晶格并置換部分的Ti原子，同時TiO2表面晶格氧原子逃逸，從而產生氧空位（OV）缺陷（圖2）。

圖2OV-FeTiO2納米顆粒的合成及結構表征。（a）高能球磨合成OV-FeTiO2納米顆粒的過程示意圖；（b）OV-FeTiO2的SEM圖像；（c）OV-FeTiO2的微觀精細結構。（c-i）-（c-iii）TEM、HRTEM圖像和Ti、O、Fe元素映射圖。（c-ii）插圖為選定區域的電子衍射圖；（d）和（e）TiO2、Fe3O4和OV-FeTiO2的XRD圖譜和FTIR光譜；（f）OV-FeTiO2的元素組成和化學狀態。（f-i）TiO2和OV-FeTiO2的XPS光譜。（f-ii）OV-FeTiO2的高分辨率Ti 2p光譜，插圖為TiO2和OV-FeTiO2的Ti 2p光譜。（f-iii）TiO2和OV-FeTiO2的高分辨率O 1s光譜；（g）TiO2和OV-FeTiO2的EPR光譜。

通過SLS技術制備得到具有抗菌功能的PCLGA/OV-FeTiO2復合骨支架。為了了解OV參與H2O2吸附和活化及Fenton反應生成·OH的過程，我們分別設計了根據電流變化監測H2O2濃度實驗以及亞甲基藍（MB）和3,3',5,5'-四甲基聯苯胺（TMB）的降解和氧化實驗，評估PCLGA/OV-FeTiO2參與Fenton反應產生·OH的性能（圖3）。

圖3OV參與活化H2O2和Fenton反應生成·OH。（a）H2O2安培監測的實驗裝置；（b）添加H2O2后的電流響應；（c）PCLGA/OV-FeTiO2吸附H2O2示意圖；（d）PCLGA/OV-FeTiO2對TMB的氧化。（d-i）和（d-ii）TMB氧化的化學反應示意圖以及生成的?OH對TMB的氧化顯色照片和紫外-可見吸收光譜。（d-iii）PCLGA/OV-FeTiO2生成?OH對H2O2的濃度依賴性；（e）PCLGA/OV-FeTiO2對MB的降解。（e-i）和（e-ii）MB降解的化學反應示意圖以及生成的?OH對MB的降解。（e-iii）和（e-iv）PCLGA/OV-FeTiO2生成?OH對H2O2的濃度依賴性和pH依賴性；（f）PCLGA/OV-FeTiO2的EPR光譜；（g）PCLGA/OV-FeTiO2參與Fenton反應吸附和活化H2O2及生成·OH的示意圖。

體外抗菌實驗結果顯示這種抗菌策略針對革蘭氏陰性的大腸桿菌（E. coli）和革蘭氏陽性的金黃色葡萄球菌（S. aureus）顯示出有效的廣譜抑菌性能（圖4）。并提出可能的抗菌機理：隨著支架的逐步降解，OV-FeTiO2納米粒子逐漸暴露并釋放出Fe2+/Fe3+離子，通過靜電作用極易吸附到帶負電荷的細菌細胞膜上，引起膜破壞和內皮細胞滲漏。隨后，暴露在支架表面的OV-FeTiO2納米顆粒通過吸附細菌感染微環境中更多的H2O2，使其在細菌感染部位富集，從而增強Fenton反應效率，進而產生更多的·OH。·OH的形成可以通過氧化應激破壞細菌細胞膜、損傷DNA結構、失活蛋白質和ATP合成酶等，從而顯著誘導細菌凋亡（圖5）。此外，該復合骨支架還擁有與人體松質骨相匹配的力學性能，以及良好的細胞粘附、增殖和成骨分化作用，表現出良好的生物相容性。

圖4不同支架的抗菌性能。（a）E. coli和S. aureus與PCLGA、PCLGA/TiO2、PCLGA/Fe3O4和PCLGA/OV-FeTiO2支架共培養后形成的菌落照片；（b）與（a）一一對應的支架的抑菌率；（c）E. coli和S. aureus與支架共培養的活/死細菌熒光圖像；（d）活/死細菌熒光染色定量分析；（e）支架表面細菌的SEM圖像。E. coli呈綠色，S. aureus呈金黃色。

圖5OV助力Fenton反應促進PCLGA/OV-FeTiO2骨支架對抗細菌感染的示意圖。細菌感染微環境中的H2O2在OV-FeTiO2吸附作用下富集在細菌感染部位，從而促進Fe2+/Fe3+參與Fenton反應生成更多的·OH。

04

未來展望

光熱療法正逐漸成為骨移植領域的研究熱點，其低侵害性、低副作用和快速恢復的特點備受關注。考慮到TiO2-x和Fe3O4納米顆粒在近紅外線生物窗口中的高光熱轉換效率，我們期望結合芬頓反應和光熱療法能夠進一步增強骨支架的抗菌性能，為骨移植領域帶來更快速和高效的抗菌治療方法，為人類健康帶來更多的保障。

05

作者簡介

帥詞俊 教授

中南大學

帥詞俊，中南大學機電工程學院教授，全國百篇優秀博士論文獲得者，國家高層次人才計劃入選者。一直從事3D打印組織再生結構的技術與裝備研究，主要研究成果發表在《Adv Funct Mater》《Nano Energy》等期刊上，出版中英文專著8部，授權與申報專利100余項；主持國家自然科學基金重點項目和霍英東基金等課題，獲省自然科學一等獎1項(排1)、省部級二等獎5項(4項排1)、省醫學科技一等獎2項(均排1)。

馮 佩 副教授

中南大學

馮佩，博士生/碩士生導師，中南大學機電工程學院副教授。主要從事激光3D打印/增材制造、4D打印等領域的研究，以第一/通訊作者在《Adv Funct Mater》《Adv Sci》《Small》等期刊上發表SCI論文50余篇，被《Nat Rev Mater》《Chem Rev》等期刊正面引用6300余次，出版英文學術專著3部，授權發明專利15項；主持國家自科基金面上項目、青年基金，國家重點研發計劃子課題、博新計劃、省優青等；獲湖南醫學科技一等獎2項，省部級二等獎4項。

周圍神經再生和脊髓損傷修復3D打印支架研究進展

3D/4D打印生物壓電智能支架用于下一代骨組織工程

關于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(中文《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發表極端制造領域相關的高質量最新研究成果。自2019年創刊至今，期刊陸續被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數據庫收錄。2023年JCR最新影響因子14.7，位列工程/制造學科領域第一。中科院分區工程技術1區，TOP期刊。

?? 期刊宗旨和欄目（點擊閱讀詳情）

期刊網址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

作者福利

? 鉆石開放獲取，免收作者版面費

? 提供綠色通道快速評審原創突破性成果

? 接收后24h內在線

? 免費全球化宣傳推廣

? 免費高質量圖片編輯與規范化文獻校對

專題征稿

Call for Papers

專題文章

集 錦

文章目錄

2023-02

2023-01

2022-04

2022-03

2022-02

2022-01

?更多往期 點此獲取?

微信號｜IJEM-Editor

掃碼加小編微信

邀您進極端制造群

撰稿: 作者 編輯：范珂艷 審核：關利超

本文旨在傳遞、分享最新科研信息。如涉及作品版權問題，請及時聯系我們，我們會及時處理以保障您的權益。感謝一直關注和支持本公眾號的朋友們！