具有抗菌功能生物活性硬组织植入体的研究及其抗菌机制

Metallic load-bearing implants have been widely used in clinic owing to their excellent mechanical property and biocompatibility. However, the poor bioactivity of most metallic implants hinders the osteointegration of the implants with the tissue. The bioactive coating techniques have provided much improvement in this regard.The major problem remains: about 4-6% clinical implantation failures have been observed due to the bacterial infection, regardless of the bioactivity property of the implants. This proposal aims to develop advanced load-bearing implants with bioactivity and antimicrobial activity by grafting antimicrobial peptides to bioactive composite coatings through click reaction. The systematic study will be performed to investigate the effect of structural modification on the stability of the peptides and the antimicrobial activity, as well as the reaction mechanism of the assembly of the peptides to the coating. By elucidating the mechanism of the antimicrobial property of the surface grafting peptides and the selective adhesion of the bacteria and normal tissue cells on the surface, the project aims to provide useful guide for the development of new implants and reducing their failure risk from infection.

作为负重型临床硬组织植入体，金属材料具有优异的力学性能和生物相容性，但其生物活性差，植入材料与组织之间无法形成骨键合。近年来研究的生物活性涂层有效地解决了这一问题。但目前临床存在的主要问题是：无论是生物惰性还是生物活性材料都普遍存在细菌感染问题，导致约4%－6%的植入失效。本研究在原位构建生物活性涂层的基础上，采用创新性的点击反应技术在生物活性涂层表面接枝抗菌多肽，研制具有优异抗菌功能的高生物活性的硬组织植入体。系统研究结构修饰对抗菌多肽稳定性的影响规律以及对抗菌效果的影响机制，以及生物活性涂层与抗菌多肽组装过程中的点击反应机制；揭示植入材料表面抗菌多肽的抗菌机理及其对细菌与正常组织细胞的附着选择性控制机理，为减少临床植入体细菌感染提供新的修复材料提供理论依据。课题组成员具有多学科交叉专业背景和长期合作基础。

临床上广泛应用的钛基硬组织植入体普遍存在细菌感染难题，导致约4%-6%的植入失效，并会导致患者的残疾甚至死亡。针对该问题，本项目基于抗菌多肽和铜催化“叠氮-炔基”点击反应技术，构建了具有生物活性和抗菌性能的钛基硬组织植入体，并结合体内外实验对其生物学性能进行了表征。.首先，本项目设计并合成了基于Tet213和HHC36的抗菌多肽，并利用OEG、SBMA等空间分子对多肽分子进行修饰，显著提高了其抗菌活性、稳定性等性能。其次，本项目利用微弧氧化技术、去细胞化技术、阳极氧化电化学技术、点击反应技术等，构建了具有可以促进细胞粘附、增殖和成骨的生物活性涂层。再次，在该涂层的基础上，本项目优化了点击反应的实验条件（如反应物浓度、催化剂种类等），利用该反应在植入体表面构建了稳定的抗菌多肽，并结合X射线光电子能谱、原子力显微镜、静态接触角等测试仪器，对表面理化性能进行了表征；结合基于石英晶体微天平（QCM-D）的体外模拟装置，以及体外抗菌实验，表征了所构建表面与金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等临床常见致病细菌的相互作用和抗菌效果；结合体外细胞学实验表征了所构建表面对骨髓间充质干细胞、血管内皮细胞的细胞学性能；构建了有效的新西兰大白兔骨原位缺损和金黄色葡萄球菌感染动物模型，并利用该模型表征了所构建植入体的体内抗菌性能和生物学性能。.结果表明，本项目所构建的植入体表面体外可以实现降低细菌粘附并抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的效果，最高抑制率可达99.72%（金黄色葡萄球菌）和98.12%（大肠杆菌）；同时，在优化条件下可以促进相关细胞的粘附和增殖，不具有细胞毒性；体内实验结果显示，本项目所构建的植入体在植入初期（7天）可以抑制金黄色葡萄球菌，有效预防急性感染期内的细菌感染。.综上，本项目所构建的抗菌钛基硬组织植入体表现出高生物活性和抗菌性能，有望解决该类材料易发生细菌感染的临床难题，降低细菌感染率，提高修复效果和患者的生存质量。