钛植入体表面同时具有抗生物膜和促成骨性能的光致功能化涂层研究

Bone implant-associated infections are common in orthopedic surgeries. Especially, when biofilm is developed, immune system and antibiotic treatment are hard to eradicate it, sometimes requiring second operation to remove the implants, or even lead to death. To address this issue, a non-surgical and non-invasive treatment for biofilm infection is necessary to be built. In this project, we are planning to prepare a red phosphorus/mesoporous silica coating on the surface of titanium implant with great biocompatibilities, photothermal and controllable nitric oxide release properties. In order to kill bacteria under a safe temperature range, we will investigate the effects of the thermal released nitric oxide to the temperature sensibility of bacteria. Meanwhile, the mesoporous silica and nitric oxide can promote the osteogenesis, which is helpful to the osseointegration of implants and surrounding tissue. This is the first time to investigate a safe and efficient strategy for the biofilm eradication on bone implants using near-infrared light, which will provides a new method for the treatment of biofilm infection for joint implant material.

医用钛植入体材料，在植入人体后，会由于炎症感染以及生物活性差而缩短其使用寿命，影响患者健康。尤其是当植入体表面形成细菌生物膜之后，普通的抗生素治疗以及机体免疫作用将很难消除生物膜，从而导致患者需要经过二次手术摘除感染假体，更严重的可能会危及生命。因此，为了解决这个难题，我们急需建立一种非手术，无创式的生物膜感染的治疗方法。本项目拟在钛植入体表面制备一种具有优异生物相容性、光热性的红磷以及在光热下分解释放一氧化氮的复合涂层。研究该涂层在近红外光照射下，介孔二氧化硅负载的一氧化氮源通过热分解产生的一氧化氮对细菌细胞膜的通透性的影响，拟提高细菌对温度的敏感性，实现在安全温度范围内杀死细菌。同时，二氧化硅和一氧化氮具有一定的促成骨性，有助于钛植入体与周围骨组织进行骨整合。本项目首次研究一种安全高效的近红外快速消除骨植入体表面细菌生物膜策略，将为植入体细菌生物膜感染提供新的治疗方案。

声动力疗法(sonodynamic therapy, SDT)由于其深度穿透能力和生物安全性，被认为是一种潜在的治疗癌症和细菌感染等多种疾病的方法，但其SDT效率受到深部组织缺氧环境的限制。该项目提出通过开发金属-红磷(RP)的超声(US)界面工程，创造一种潜在的解决方案——声热疗法，与单独的金属相比，金属-红磷(RP)在持续的US激发25分钟下，具有超过20°C的升温，其声热能力明显提高。其根本机制是由于超声的机械能激活了界面电子运动。声致电子可以从金属向RP转移，避免了金属的电子逃逸。因此，RP中声致电子运动可以有效地将声能以热和晶格振动的形式转化为声子，从而使金属-RP对超声吸收更强。与超声诱导空化效应的非特异性加热不同，超声穿透2.5 cm的猪肉组织时，钛-RP可以在原位加热。此外，通过体内声热治疗，耐多药金黄色葡萄球菌(MRSA)诱导的骨感染在超声20分钟后被成功消除，没有出现正常的组织损伤。这项工作为通过界面工程的超声热治疗对抗MRSA提供了一种新的策略。