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由于种植牙被广泛接受为口腔修复的核心，种植牙市场经历了爆炸式增长。在临床上，同时实现抗感染效果和快速骨整合是种植体的一项关键但具有挑战性的任务。对具有长期广谱抗菌和免疫成骨特性的植入物的需求正在增长。现有方法因缺乏安全性、效率、短期抗感染能力以及未充分考虑免疫调节对成骨作用而受到限制。本文为 ZnO/黑色 TiO2-x异质结表面结构被设计为固定在钛（Ti） 植入物表面上的近红外 （NIR） 光响应纳米薄膜。这种纳米薄膜引入了丰富的氧空位和异质结，通过缩小带隙和改善界面电荷转移来增强 Ti 植入物在 NIR 照明下的光热和光电能力。“光热电”植入物通过破坏细菌膜和增加细胞内活性氧的产生，对三种牙科病原菌（牙龈卟啉单胞菌、具核梭杆菌和金黄色葡萄球菌，>99.4%）表现出优异的广谱抗菌功效。此外，该植入物可在 NIR 照射下有效消除成熟的多物种生物膜并杀死生物膜内的细菌。同时，这种植入物还可以诱导巨噬细胞的促再生转化，促进成骨细胞增殖和分化。此外，体内结果证实了这种种植牙卓越的抗菌和骨免疫调节特性。RNA 测序显示，潜在的成骨机制涉及 Wnt/β-catenin 信号通路的激活和骨骼发育。总体而言，这种多功能的“光热电”平台同时赋予种植体抗感染和骨整合性能，这在牙科种植体方面具有很大的潜力。该研究以题为““Photo-Thermo-Electric” Dental Implant for Anti-Infection and Enhanced Osteoimmunomodulation” 发表在ACS Nano上。
牙种植体已经成为一种完善的治疗方式，用于实现完全或部分无牙患者的审美和功能康复因此，种植体市场急剧扩大，其中亚太地区的增长率最高。随着种植体市场的迅速扩大，抗感染活性和快速骨整合成为种植体面临的两大挑战，引起了广泛关注由于钛（Ti）固有的生物惰性，细菌定植引起的植入物相关性感染（IAI）和成骨不足是目前大多数钛基植入物失败的主要原因一方面，通常使用相关抗生素治疗种植牙术后细菌感染的症状；然而，反复使用抗生素会导致细菌产生抗生素耐药性此外，IAI不仅可能发生在术后即刻，使种植体早期失败的风险增加近80倍，也可能发生在种植体植入后数月甚至数年，使种植体面临长期感染的风险。
种植体周围炎是一种复杂的疾病，多微生物生物膜诱导的炎症性溶骨感染一旦感染发生，病原体倾向于在种植体表面积聚并形成生物膜。因此，种植体应被赋予促进骨形成的免疫调节功能。受电子转移在细菌代谢中起重要作用这一事实的启发，作者团队探索了利用电效应构建抗感染植入物的可能性。正常的电子传递为细菌生长和结构维持提供必要的能量，而跨膜电子传递的干扰导致细胞内活性氧（ROS）的产生，随后导致细菌死亡因此，开发具有抗菌活性的光电植入物是合理的。然而，光靠光电效应就需要很高的局部电流来杀菌，这可能会损害周围的健康组织。因此，建议将光电效应与其他抗菌策略相结合。近年来，光热策略已广泛应用于许多文献完备的研究中。钛是牙科领域的主流种植材料，但其光活性有限在寻找光电抗菌材料的过程中，黑色二氧化钛（黑色TiO2−x）已成为一个有利的选择，因为它具有窄带隙和丰富的氧空位，优异的光催化、电催化和光热性能表明黑色TiO2−x可能是一种很有前途的用于牙科和骨科植入物的光电抗菌材料。选择808 nm NIR触发PTT的原因是其通过生物组织的良好透光性和较高的时空精度。由两个或多个半导体组成的异质结可以提高光电效率和光热转换性能氧化锌（ZnO）已被广泛用于促进光电子转移，构建ZnO/黑色TiO2−x异质结是建立多功能材料的最佳方法，同时获得增强的光电抗感染性能和实现骨免疫调节功能。
这项研究建立了一个用于抗感染和骨免疫调节植入物的“光-热电”平台。ZnO/黑色TiO2−x异质结表面结构由于其生物安全性和易于获得性而叠加在Ti植入物上。所建立的种植体平台不仅在近红外光照射下具有短期和长期的广谱抗菌活性，而且通过创造良好的原位骨免疫微环境，促进体外成骨和体内骨整合。这种“光-热电”平台为临床牙科种植领域的种植体制造提供了创新的见解。
Scheme1。Ti-BTNT-ZnO介导感染保护和促进免疫成骨的制备。(a) Ti-BTNT-ZnO的制备工艺。(b) Ti-BTNT-ZnO植入物抗感染和促进免疫成骨的概念和有效机制。
图1所示。形态和晶体结构表征。(a) Ti- btnt - zno Zn：蓝、O：红、Ti：灰的结构示意图及优化后的结构。(b) Ti-BTNT-ZnO的SEM图像和元素映射图（比例尺：100 nm）。(c) Ti-BTNT-ZnO的TEM图像和元素映射图（比例尺：200 nm）。(d) Ti-BTNT-ZnO的HRTEM图像（比例尺：2 nm）。(e)计算出Ti-BTNT-ZnO的电荷密度差图。晶体结构中的原子颜色编码：Zn、蓝色；O：红色，Ti：灰色。黄色区域表示电子积累，而青色区域表示电子消耗。
图2。光电和光热性能表征。(a) Ti-BTNT-ZnO在808 nm近红外辐照下的“光热”机理示意图。（b, c）合成材料（ahν）1/2的UV - vis - NIR吸收曲线及相应图。（d, e）近红外辐照下的光电流开（红背景）-关（白背景）曲线和线性伏安扫描光电流曲线。(f) TiBTNT-ZnO的KPFM图像和相应的表面电位分布（在黑暗和近红外照明下）。(g)样品在空气中（0.4W cm−2）近红外辐照下的光热曲线。(h)浸泡在PBS （0.4W cm−2）中近红外照射下样品的光热曲线。(i)空气中不同近红外辐照功率下Ti-BTNT-ZnO的光热曲线。(j)空气（0.4W cm−2）近红外辐照下Ti-BTNT-ZnO的光热开（红背景）-关（白背景）效应。
图3。样品的抑菌活性及抑菌机理。（a−c）近红外辐射（0.4 W cm−2）下样品对牙龈假单胞菌、核仁假单胞菌和金黄色葡萄球菌的菌落计数。（d, e）近红外辐照（0.4W cm−2）下，Ti（黑色柱）和Ti- btnt - zno（红色柱）培养的不同细菌ONPG水解度和ATP强度。(f)不同样品在近红外辐照下的光电流开（红背景）-关（白背景）曲线（红色、蓝色、橙色和紫色曲线分别代表Ti-BTNT-ZnO和牙龈卟啉卟啉卟啉卟啉卟啉卟啉卟啉卟啉卟啉卟啉卟啉卟啉，Ti-BTNT-ZnO和金黄色葡萄球菌）。（g, h）不同条件下用Ti（黑色柱）和Ti- btnt - zno（红色柱）培养不同细菌的抑菌效率和胞内ROS产量。(i) Ti-BTNT-ZnO光热效应抗菌机理图。(j)近红外辐射（0.4 W cm−2）下不同样品的细胞外DNA（蓝色）、多糖（绿色）和死细菌（红色）的CLSM显微照片。标尺= 40 μm。误差条表示平均值±标准差（n = 3个独立样本），并使用单因素方差分析和事后Tukey检验进行分析。* * * p < 0.05, p < 0.01, * * * * * * p < 0.001, p < 0.0001。
图4。不同样品的体外基因表达水平检测。（a−d） Ti、Ti- tnt、Ti- btnt和Ti- btnt - zno表面培养的RAW 264.7细胞中炎症相关基因的mRNA表达。（e−h）在Ti、Ti- tnt、Ti- btnt和Ti- btnt - zno表面培养的MC3T3-E1细胞成骨相关基因mRNA表达。误差条表示平均值±标准差（n = 3个独立样本），并使用单因素方差分析和事后Tukey检验进行分析。* * * p < 0.05, p < 0.01, * * * p < 0.001, * * * * p < 0.0001;n表示无统计学意义。
图5。Ti-BTNT-ZnO的体内抗菌活性和成骨能力评价。(a)近红外辐照（0.4 W cm−2）后植入物体内光热曲线。(b)光疗后好氧细菌和厌氧细菌的琼脂平板图像。(c)光疗后不同植入物在LB培养基中培养48 h的图像。(d)植入3、7 d后H&E和免疫组织化学染色。(e) H&E染色图像中炎症细胞的半定量评估。（f, g）对(d)中CD86和Arg-1免疫组化染色图像进行相应的定量分析。(h) 28 d后种植体周围骨形成的Micro-CT 3D图像。（i, j）定量分析骨体积占总体积的百分比（BV/TV）和骨小梁数(Tb。N). (k)植入28天后H&E和Masson染色。(l)植入28天后样品的van Gieson微紫红染色。误差条表示平均值±标准差（n = 3个独立样本），并使用单因素方差分析和事后Tukey检验进行分析。* * * p < 0.05, p < 0.01, * * * * * * p < 0.001, p < 0.0001。
图6。基因表达谱的生物信息学分析。(a)火山图显示Ti与Ti- btnt - zno的deg(红色表示deg上调；绿色表示deg下调)。(b)前20个上调生物进程的GO富集分析。(c) Wnt信号通路与骨发育的GSEA图和相应的热图。
综上所述，本研究通过HA-PBA、鸟苷、Hemin和GOx的一步组装，构建了无DNA的鸟苷基聚合物纳米反应器HPG@hemin-GOx。HPG@hemin-GOx多酶活性的协同作用显著提高了细胞内ROS水平，导致核DNA和线粒体损伤，从而导致肿瘤细胞凋亡。此外，HPG@hemin-GOx的GPX样活性可导致细胞内GSH的消耗，从而下调GPX4的表达，增强细胞内LPO的积累，最终促进肿瘤细胞的铁死亡。最后，HPG@hemin-GOx通过同时诱导细胞凋亡和铁死亡表现出有效的抗癌作用，这在体内外均得到了证实。总之，这工作为铁死亡−凋亡诱导剂的制备提供了一种有效的途径，并有可能促进肿瘤催化治疗的发展。
论文链接（DOI）：
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c05859
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