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顽固性种植体相关感染（IAI）是假体植入失败的主要原因，尤其是在糖尿病的情况下。迫切需要构建具备级联扩增治疗方式的多功能工程植入物，改善糖尿病IAI的治疗效果。
2024年12月31日，四川大学/香港大学邓怡、四川大学梁坤能共同通讯在Small 在线发表题为“Polyetheretherketone Implant with Cascade-Amplification Therapeutic Capabilities Toward Intractable Implant-Associated Infections”的研究论文。为解决这一问题，该研究开发了一种多功能MXene/Ag3PO4@glucose生物异质结酶（M/A@Gox bio-HJzyme）涂层，该涂层用惰性磺化聚醚醚酮植入物（SP-M/A@G）修饰，通过水热处理和分层沉积制备而成。
修饰的bio-HJzyme涂层促进了成骨细胞在植入物上的细胞粘附和增殖。同时，808nm近红外（NIR）光照射下，修饰涂层不仅诱导局部高温和活性氧（ROS）的产生，还启动类Fenton和类漆酶反应，耗尽糖尿病感染微环境中的谷胱甘肽（GSH）。光疗和生物催化疗法的级联放大赋予了植入物强大的循环抗菌特性。体内评估表明，多功能bio-HJzyme可以有效地根除位于植入物和植入物周围组织上的感染性病原体，并促进糖尿病感染性皮肤的再生。总得来说，该研究为构建具有级联放大治疗能力的多功能植入物提供了一种新方法。
对抗病原菌感染，特别是糖尿病植入物相关感染（IAI），仍是一项艰巨的全球健康挑战。IAI对接受植入治疗的患者构成重大威胁，导致治疗失败，严重的IAI甚至诱发疼痛、功能丧失和患者死亡，给全球医疗保健系统带来巨大的经济负担。目前，IAI的主要治疗方法为更换植入物或术后全身性抗生素给药。尽管植入物置换手术不断发展，但细菌感染仍然是一个重大问题，通常会导致反复感染，延长愈合时间并增加患者发病率。尽管全身性抗生素治疗可有效控制细菌感染，但同样加速了多重耐药病原体的出现，使受影响的组织对标准护理疗法产生耐药性。近期的抗菌策略主要集中植入物表面的改性和抗菌涂层，如银离子、抗菌肽和季铵盐等杀菌剂，但这些药物通常表现出细胞毒性，细菌根除时间较长。因此，探索有效、安全、无药物的抗菌技术势在必行。当前，已经各种策略来解决IAI中的细菌耐药性，破坏细菌细胞膜并干扰正常的氧化还原过程，如产生局部热疗、增加活性氧（ROS）产生和消耗谷胱甘肽（GSH）。近期，已经将模拟生物催化能力的酶整合到光疗中以达到抗菌目的。然而，过氧化氢（H2O2）水平有限，模拟酶中光电子和空位的低分离效率降低了H O2/O2转化为ROS的能力，并降低了杀菌效果。因此，迫切需要一种利用自身H2O2进行生物催化和光疗的抗菌方法。葡萄糖氧化酶（GOx）是一种内源性氧化还原酶，可以有效地将葡萄糖氧化为葡萄糖酸和H2O2，用于Fenton样反应，从而提高生物催化治疗效果。此外，异质结生物材料（bio-heterojunctions，bio-HJs）是一种增强光电子-空位分离和促进ROS生成的有效方法。图1 SP-M/A@G用于治疗植入物相关感染的级联扩增治疗机制示意图（摘自Small ）近期研究中，含有银离子、抗菌肽和季铵盐的涂层通常具备细胞毒性，也可延长细菌根除时间。因此，探索有效、安全、无药物的抗菌涂层技术刻不容缓。有学者构建了一种新型的多功能2D材料MXenes，包括具有各种独特性能的碳化物、氮化物和碳氮化物。碳化钽（Ta4C3）MXenes比钛基对应物的稳定性和惰性更高，表现出优异的生物相容性和成骨潜力。Ta4C3 MXene是一种出色的光热转换器，能够吸收近红外（NIR）光并表现出局域表面等离子体共振（LSPR）效应。然而，其应用受到光电子和空位的高复合率以及低ROS产生效率的限制。Ag3PO4是一种具有间接带隙的半导体，因其强光催化性能而闻名。其带隙范围从2.36到2.52 eV，还具有优异的类Fenton和类漆酶催化活性。然而，很少有研究探讨Ag3PO4在抗微生物方面的类漆酶催化活性。Ag3PO4能够通过调节局部微环境和激活关键信号通路来影响骨组织形成和修复，而磷酸盐对于人体骨骼的形成必不可少。然而，Ag3PO4的宽带隙限制了其被NIR光激发产生ROS。为解决这一限制，作者将Ag3PO4与Ta4C3 MXene结合起来，形成生物异质结连接酶（bio-HJzyme）。bio-HJzyme必须具有优异的NIR光光热转换、光动力和生物催化能力，故基于具有级联扩增治疗能力的Ta4C3/ Ag3PO4@Gox bio-HJzyme可以开发有效、安全和无药物的抗菌技术。聚醚醚酮（PEEK）具备优异的机械性能和化学稳定性，广泛用作人工植入物的生物医用合金的替代品。相比之下，水凝胶支架虽然前景广阔，但通常受到机械性能差和在生理条件下易降解的限制。然而，生物惰性PEEK植入物不利于组织的粘附，且容易发生持续性植入物感染。该研究提出了一种新型糖尿病IAIs疗法，使用Ta4C3/ Ag3PO4@Gox（M/A@G）设计出多功能磺化PEEK植入物，具有级联放大治疗能力。bio-HJzyme工程植入物上的修饰GOx促进了葡萄糖的氧化以产生H2O2。随后，H2O2被Ag3PO4的类Fenton催化活性催化成羟基自由基（·OH）、H2O和O2。然后，产生的O2被Ag3PO4的仿漆酶活性催化产生超氧自由基（·O2−）。此外，在808nm近红外光照射下，bio-HJzyme可以产生局部高温和更多的ROS，包括OH、单线态氧（1O2）和·O2−。因此，细胞内的抗氧化剂被不断耗尽，以达到杀菌目的。多功能生物酶工程植入物联合级联放大治疗可以显著提高糖尿病IAIs的治疗效果。这种新方法旨在增强光电子和电子空穴的分离，证明了bio-HJzyme修饰的植入物在对抗持续性植入物相关感染方面的潜力。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202409437![]()
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