具有纳米取向结构的壳聚糖/磷灰石/镁铜合金复合內植物对骨关节感染的治疗作用及机制研究

How to take effective measurements to reduce the incidence of bone and joint infection has become an important issue need to be solved urgently in orthopedic medical field. In this study, in order to treat and prevent bone and joint infection through inhibit the process of bacterial biofilm-formation on the surfaces of implants and bone tissues surrounding them, we developed a new orthopedic implant, Chitosan/Hydroxyapatite/Mg-Cu composite implants with oriented nanorod arrays similar to natural bone (CHMCs), which has both of antibacterial property and bone repair capability. We aimed to systematically evaluate microstructures, mechanical properties, corrosion behavior, and ion release of CHMCs in vitro. Then the biocompatibility, antibacterial activity and osteoinductive activity of them were also studied in vitro and in vivo. We also aimed to discover how CHMCs achieve their antibacterial properties and what effects, if any, this has on biofilm performance, virulence, and drug resistance. We investigated these effects at the genetic level (including of the expression of biofilm-associated, virulence, and antibiotic-resistance genes). At last, we will also further explore the synergistic bioactivity of CHMCs, thus reveals the mechanism of its antibacterial/bone repair dual effects，and provide theory foundation for its translational work, to make CHMCs adapt to the actual demands of clinical treatment as soon as possible.

如何采取有效措施降低骨关节感染的发病率已成为骨科医疗领域亟待解决的重要课题。本研究以治疗和预防骨关节感染为主要临床应用方向，以抑制骨內植物表面及其周围骨组织细菌生物膜的形成过程为治疗靶点，研发兼具抗感染性能和骨修复性能的新型骨科生物材料—具有类似天然骨纳米取向结构的壳聚糖/磷灰石/镁铜合金复合內植物。对其生物力学性能、金属离子溶出行为、生物降解途径、生物安全性和骨组织生物活性进行全面评估，深入研究其对常见致病菌的抗感染作用，建立动物骨组织感染模型，对其体内抗感染行为进行系统研究，并在基因水平研究其抗感染效应作用靶点（包括对细菌毒力，生物膜形成，耐药性相关基因表达的调控和影响），从而阐明其抗感染作用机制。最后,本课题还将进一步探索材料中多种组元之间的生物协同效应，揭示其抗感染/骨修复双重疗效的作用规律，通过本研究为此新型內植物材料的临床转化提供较为完整的理论基础和依据。

如何采取有效措施降低骨关节感染的发病率已成为骨科医疗领域亟待解决的重要课题。本研究以治疗和预防骨关节感染为主要临床应用方向，以抑制骨內植物表面及其周围骨组织细菌生物膜的形成过程为治疗靶点，研发了一种兼具抗感染性能和骨修复性能的新型骨科生物材料—具有类似天然骨纳米取向结构的壳聚糖/磷灰石/镁铜合金复合內植物（Chitosan/Hydroxyapatite/Mg-Cu composite implants, CHMCs）。对其生物力学性能、金属离子溶出行为、生物降解途径、生物安全性和骨组织生物活性进行了全面的评估，深入研究其对常见致病菌的抗感染作用，本课题建立了动物骨组织感染模型，对CHMCs体内抗感染行为进行了系统研究，并在基因水平研究其抗感染效应的作用靶点（包括对细菌毒力，生物膜形成，耐药性相关基因表达的调控和影响），从而初步阐明了其抗感染作用机制。最后,本课题还进一步探索了材料中多种组元之间的生物协同效应，揭示其抗感染/骨修复双重疗效的作用规律。通过上述研究获得以下主要结果：（1）CHMCs样品能够显著抑制细菌生物膜的形成，具有较高的抑菌效率，能够显著下调细菌生物膜毒力和抗生素耐药相关基因的表达。（2）CHMCs内植物能够有效治疗兔胫骨骨髓炎，同时修复感染造成的骨组织缺损，无明显局部或全身副作用，在器官和组织无明显的金属离子蓄积。（3）CHMCs样品浸提液在ALP染色和茜素红矿化结节染色中均表现出了较强且稳定的体外成骨诱导性能。（4）CHMCs样品浸提液可以可激活GSK3β信号通路，从而促进OSX、OCN和COL1A1相关基因的表达,进而促进细胞的成骨分化，有利于增加材料的骨修复性能。可见CHMCs兼具良好抗感染性能及骨组织诱导活性。综上，通过本研究为新型內植物材料CHMCs的临床转化提供了较为完整的理论基础和科学依据，如果其在将来实现临床转化并应用于骨科临床治疗，将有望在骨科手术中作为一种辅助性预防/治疗手段或骨填充修复材料，完善并克服骨关节感染传统治疗策略的一些局限性，降低骨关节感染的发病率。