基于氧化石墨烯/镓纳米复合物修饰的β-TCP支架修复高感染风险骨缺损的研究

Severely injured limbs, which are always accompanied by wound opening and bacterial contamination of bone defects, have high risk of infection after operation, and their restoration are confronted with infection control, bone regeneration and inhibition of bone destruction. Our preliminary studies indicated that the nano-composite composed by graphene oxide (GO) and gallium nanoparticles (GaNPs) demonstrated synergetic antibacterial activities, promoted osteogenic differentiation and inhibited osteoclast differentiation. In this study, the antimicrobial activity and cytocompatibility of GO/Ga nano-composite will be optimized. Then, the porous β-TCP scaffold prepared via template-casting technique will be modified superficially by that nano-composite. Subsequently, the material characteristics, in vitro antimicrobial activities, effects on osteoblasts and osteoclasts and corresponding mechanisms of the scaffolds will be systematically explored. Finally, the animal model of infected critical bone defects will be established to evaluate the anti-infective properties, bone-repairing potential and biosafety of GO/Ga/TCP scaffold in vivo. We believe that this innovative bone substitute with multi-functions has potential for treating bone defects with high risk of infections in clinic.

严重的肢体创伤常伴有骨缺损创面的开放或污染，术后感染风险较高，其修复面临感染控制、促进骨质愈合和抑制骨质破坏这三大挑战。我们的预实验结果提示，由氧化石墨烯（GO）和镓纳米颗粒（GaNPs）组成的纳米复合物可发挥协同抗菌作用，并能在促进成骨分化的同时抑制破骨分化。本课题拟在GO/Ga纳米复合物体外抗菌性能和骨细胞相容性优化的基础上，对经模板浇铸法制备的β-TCP多孔支架进行表面修饰，探索该复合支架的材料学特性、体外抗菌性能、对成骨和破骨细胞的生物学影响及作用机制；采用感染性临界骨缺损动物模型，评价该复合支架的体内抗菌、骨修复性能和生物安全性，旨在研发出一种兼具多重功能的新型抗菌骨修复材料，用于临床上高感染风险骨缺损的治疗。

本课题针对整形和骨科临床上开放性骨缺损创面修复难题，从具体发病机制出发，创新性的考虑感染控制、促骨质愈合和抑制骨质溶解破坏三个关键点。利用氧化石墨烯（GO）和镓纳米颗粒（GaNPs）具有协同抗菌效应，及其在成骨和破骨分化功能方面的作用，通过超声乳化和原位沉积技术制备理化性质稳定的GO/Ga纳米复合物，系统优化了该纳米复合物体外抗菌性能和细胞组织相容性，同时深入研究了该纳米复合物在成骨和破骨细胞分化调控中的具体作用及分子机制，构建大鼠股骨髓内植入物感染模型，研究该纳米复合物在体内的抗感染和骨整合能力。进一步通过成熟的三维打印技术，制备GO/Ga纳米复合物修饰的PLGA/TCP多孔支架，并对材料的表征和缓释性能进行了评价，系统评价其体外协同抗菌效应、骨细胞相容性、支架降解浸提液对成骨细胞和破骨细胞分化功能的影响，构建小鼠皮下支架植入模型和兔股骨髁感染性局部骨缺损模型，综合评价该复合骨修复支架材料在体内的组织相容性和生物安全性，以及抗感染和骨修复性能。我们的研究结果表明，掺入比为1:1的GO/Ga纳米复合物具有最优的抗菌性能和骨细胞相容性，该纳米复合物具有显著体外协同抗菌活性，在促进成骨细胞分化功能的同时可有效抑制破骨细胞分化功能，并证实该纳米复合物分别通过BMP/Smad和NF-κB/NFATc1信号通路影响成骨和破骨细胞分化活动，利用Molecular Docking技术手段找到了镓离子抑制破骨细胞分化的氨基酸潜在结合位点。发现该纳米复合物可有效抑制SD大鼠髓内植入物感染和骨溶解破坏，促进植入物与周围骨质整合作用。此外，GO/Ga纳米复合物修饰的三维PLGA/TCP多孔支架具有良好的组织相容性和生物安全性，以及较理想的抗感染和骨修复重建功能。本研究所制备的GO/Ga纳米复合物及其修饰的骨支架材料兼具抑制细菌粘附和生物膜形成、促进成骨细胞粘附和分化、抑制破骨细胞吸收和功能，是一种多功能新型抗菌骨修复生物材料，有望用于临床上高感染风险骨缺损修复和治疗。