吉林大學任露泉院士團隊趙杰教授《ACS Nano》:生物啟發(fā)的自適應納米復合陣列表面，可實現(xiàn)從機械殺菌性向促細胞粘附增殖性轉(zhuǎn)變！
植入體相關感染主要是由細菌污染植入體表面所引起的，這不僅會造成植入手術(shù)失敗，而且伴隨的高致病率和高死亡率也會給患者帶來極大痛苦。盡管抗生素作為一種對抗細菌感染的有效手段，但在消滅入侵細菌的同時會不可避免地誘發(fā)細菌耐藥性，為患者帶來嚴重后果。相對于單純構(gòu)建植入體抗菌表面，當前研究更傾向于建立一種能夠快速整合組織的植入體表面。根據(jù)Gristina教授提出的“表面競爭”（Race for the surface）理論，誘導細胞在植入體表面發(fā)生粘附與增殖，能夠有效降低細菌在表面競爭性粘附與繁殖的機率，是增強植入表面的抗感染能力的另一種有效途徑。基于這一理論，如何使細胞在植入體表面競爭中占據(jù)優(yōu)勢是解決植入體相關問題的關鍵。近期，有研究者發(fā)現(xiàn)蟬翼啟發(fā)的納米結(jié)構(gòu)表面具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)殺菌性能。不同于傳統(tǒng)殺菌劑的殺菌原理，這種納米結(jié)構(gòu)殺菌表面是一種基于純物理殺菌的方式：具有一定長徑比的納米結(jié)構(gòu)，對粘附在結(jié)構(gòu)頂部、試圖尋求最大化粘附面積的細菌細胞施加一定的非特異性力，當施加的力大于細菌細胞壁（細胞膜）所能承受范圍時，細菌細胞會破裂而亡。同時，由于細菌和哺乳動物細胞的體積大小和細胞壁（細胞膜）組成上存在的差異性，納米結(jié)構(gòu)表面殺死細菌的同時又不會對正常的哺乳動物細胞產(chǎn)生損傷。這一現(xiàn)象為研究者解決植入體所面臨的問題提供了新的思路。
基于此，吉林大學任露泉院士團隊通過在蟬翼啟發(fā)的納米結(jié)構(gòu)上原位組裝抑菌劑3,3‘-二氨基二丙胺（DADP）摻雜的沸石咪唑骨架-8（ZIF-8）納米粒子，制備出一種自適應表面。除了優(yōu)異的機械殺菌性能外，該表面利用ZIF-8在酸性條件下自分解的特性釋放出抑菌小分子DADP，有效避免了細菌尸體堆積為機械殺菌性帶來的不良影響。隨后，利用仿生納米結(jié)構(gòu)表面的選擇性殺滅效果，該表面在植入后期能夠自發(fā)地從抗菌模式轉(zhuǎn)化為促細胞粘附增殖模式，使組織細胞在表面競爭過程中占據(jù)優(yōu)勢。此策略有效地解決了生物材料植入體在植入初期容易引發(fā)的細菌感染以及植入后期的組織整合問題。該研究以題為“Bio-Inspired Self-Adaptive Nanocomposite Array: From Non-Antibiotic Antibacterial Actions to Cell Proliferation”的論文發(fā)表在最新一期《ACS Nano》上。
【制備及表征】
首先利用熱壓印的方法制備了聚碳酸酯基的仿生納米結(jié)構(gòu)表面，隨后通過聚多巴胺（PDA）的修飾來改善ZIF-8與聚碳酸酯之間較差的結(jié)合性。從SEM結(jié)果可以看出未經(jīng)修飾的納米結(jié)構(gòu)表面呈規(guī)整的陣列結(jié)構(gòu)，與蟬翼表面高度相似。經(jīng)負載DADP的ZIF-8納米粒子（D@ZIF）修飾后的表面變得更為粗糙，經(jīng)測量分析后發(fā)現(xiàn)，仿生納米復合陣列中納米柱的柱高，柱寬以及柱間距均發(fā)生一定變化。同時，由于PDA表面富含氨基與羥基，使得鋅離子能夠與其進行螯合，利于D@ZIF在納米結(jié)構(gòu)表面的成核，使D@ZIF得以在表面均勻分布。
圖1. 仿生納米復合陣列的制備路徑及其作用機理
圖2. 仿生納米復合陣列形貌
隨后，研究者對該表面DADP的負載及酸響應釋放行為進行了探究。利用紫外-可見光吸收光譜測試證明了DADP的成功負載。同時，在pH7.4（中性）及pH5.5（酸性）條件下的測試發(fā)現(xiàn)仿生納米復合陣列具有酸響應釋放行為，即pH5.5條件下在前2-3小時可實現(xiàn)藥物的快速釋放。
圖3. 仿生納米復合陣列表征及酸響應釋放性
【仿生納米復合陣列的抗菌性】
經(jīng)研究者探究發(fā)現(xiàn)，仿生納米復合陣列的抗菌作用分為三個階段：（1）在正常生理條件下，即對應于細菌入侵的初始階段，機械殺菌起主導作用，細菌在接觸到仿生納米復合陣列后被撕裂從而死亡。（2）隨著細菌的繁殖，酸化的代謝微環(huán)境會觸發(fā)D@ZIF納米粒子的分解，從而釋放出內(nèi)置的DADP分子。（3）釋放的DADP有效抑制了細菌在表面的進一步繁殖，同時在機械殺菌和DADP的結(jié)合下使得該表面具有較高的殺菌活性。實驗結(jié)果證明所制備的仿生納米復合陣列能夠有效對抗植入初期的細菌感染。
圖4.仿生納米復合陣列的抗菌性能
【仿生納米復合陣列的促細胞增殖性】
除了需具備優(yōu)異的抗菌性能外，植入體在植入后期需要優(yōu)異的組織整合能力來避免異物反應。經(jīng)研究者證實，在細菌代謝的微酸環(huán)境下表面的D@ZIF納米粒子能夠自行降解，隨后暴露出經(jīng)PDA修飾的納米結(jié)構(gòu)表面（DE-PDA/NP）。經(jīng)體外細胞實驗證明，DE-PDA/NP中的納米結(jié)構(gòu)不僅不會給哺乳動物細胞造成機械性損傷，相反，在納米結(jié)構(gòu)的機械刺激下能夠進一步促進細胞在表面的粘附和增殖。與此同時，DE-PDA/NP依然保留有機械殺菌性能。
圖5. D@ZIF降解后表面的細胞增殖情況
總結(jié)：作者通過熱壓印法和原位晶體生長的方法制備了一種能夠前期殺菌，后期促進細胞粘附與增殖的植入體表面。在不引入任何抗生素的基礎上，利用了蟬翼啟發(fā)的納米結(jié)構(gòu)對細菌和細胞的不同作用，在同一表面實現(xiàn)了抗菌和組織整合雙重功能。此研究為未來永久性植入體表面的設計提供了一種全新的，可供選擇的思路。