ACS NANO纳米领域顶刊：空军军医大学郭征教授组构建仿生双响应磁/压电纳米颗粒，促进感染性骨缺损修复
空军军医大学郭征教授团队2024年12月17日在《ACS NANO》发表了题为“Engineered Magneto-Piezoelectric Nanoparticles-Enhanced Scaffolds Disrupt Biofilms and Activate Oxidative Phosphorylation in Icam1+ Macrophages for Infectious Bone Defect Regeneration”的重要研究成果。该研究开发了一种双响应磁电纳米材料，并整合至3D打印支架中，通过靶向Icam1+巨噬细胞，显著提升感染控制及骨修复效果，为临床治疗提供了新思路。
研究背景
感染性骨缺损是骨科领域的重大挑战，其特征在于慢性感染和进行性骨质流失，常导致大范围骨缺损和严重的肢体功能障碍。这种疾病的管理难度极大，伴随高昂的医疗成本、漫长的治疗周期以及患者的巨大痛苦。传统治疗手段如清创术、全身及局部抗生素治疗以及骨转运技术，虽然在一定程度上能缓解症状，但往往伴随骨不连、感染复发及供区并发症等问题。这种复杂性源于感染、炎症和骨愈合障碍之间的复杂相互作用。
近年来，随着工程制造技术和生物材料科学的快速发展，多功能抗感染骨修复支架成为备受关注的解决方案。然而，这些支架在临床应用中依然面临严峻挑战，尤其是由生物膜和多重耐药菌株（MDR）引发的慢性感染问题。生物膜为细菌在坏死骨组织和植入物区域内提供了庇护，使其对抗生素的耐受性显著提高。此外，慢性感染导致的炎症微环境进一步加剧了组织损伤，并严重抑制骨再生。
在此背景下，响应外部物理刺激（如近红外光、磁场、超声和电刺激）的新型材料显示出了巨大潜力。其中，磁响应材料因其能够双重作用破坏生物膜和实现靶向药物递送而备受瞩目。例如，利用交变磁场（AMF）诱导的磁热效应，不仅可以增加生物膜的通透性，增强抗生素的渗透性，还能直接破坏生物膜结构。尽管这种方法在感染控制方面成效显著，但如何有效解决感染性骨缺损中的骨再生障碍仍是一大难题。
本研究综合应用了多种试剂、耗材及模型，充分验证了实验材料在感染控制与骨修复中的关键作用。
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在体内实验中，研究团队构建了大鼠感染性骨缺损模型，通过局部注射金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）诱导骨感染，并结合清创后植入3D打印的抗感染骨修复支架，评估支架对感染控制和骨组织修复的效果。支架材料主要由季铵化壳聚糖（QCS）和磷酸三钙（TCP）组成，同时负载了磁响应与压电双功能的铁掺杂钛酸钡（BFTO）纳米颗粒。
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在体外实验中，研究使用了小鼠成骨前体细胞（MC3T3）和Icam1+巨噬细胞进行培养和功能性分析。实验特别选用赛业OriCell®提供的高质量细胞成骨诱导分化试剂盒进行成骨诱导实验，显著提升了MC3T3分化为成骨细胞的效率。此外，为保证实验结果的可靠性，研究还使用了高纯度的化学试剂（包括胶原酶和GEXSCOPE红细胞裂解液）、生物膜形成模型以及一系列标准化的细胞培养试剂。
在技术层面，研究结合了单细胞测序技术解析骨缺损修复微环境中的细胞异质性，同时利用免疫荧光染色、荧光共聚焦显微镜、磁场和低强度脉冲超声（LIPUS）刺激设备，系统评估了材料和细胞在感染控制、骨修复和免疫调控中的作用。实验中使用的耗材包括高通量微孔板、3D打印支架材料以及一系列磁性和压电响应的测试设备。这些多样化的材料和模型的结合，为验证双响应骨修复支架的功能提供了全面支持。
1.单细胞测序筛选感染性骨缺损修复靶点。
2. 双响应纳米颗粒合成：磁性和压电双响应纳米颗粒的设计与制备。
3. 生物功能分析：体外细胞靶向、巨噬细胞功能极化与促成骨。
4. 生物机制评估：氧化磷酸化功能检测、骨生成标志物分析。
5. 体内动物实验：3D打印支架植入大鼠模型，进行感染控制与骨修复评价。
为了建立感染性骨缺损模型，研究通过将高浓度的金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）溶液注射到大鼠股骨髁部的骨缺损区域，以成功诱导骨髓炎形成。一个月后，观察到骨髓腔内高信号特征，表明骨髓炎的成功建立。在此基础上，研究利用挤出式3D打印技术制备了含有季铵化壳聚糖（QCS）和磷酸钙陶瓷（TCP）的抗菌骨修复支架。随后，这些支架分别植入正常骨缺损模型和经过清创处理的感染性骨缺损模型中。结果显示，在正常骨缺损模型中，支架内部生成了大量的新生骨组织；而在感染性骨缺损模型中，支架周围被硬化骨组织包裹，内部无新骨生长，表现出典型的骨不连特征。
感染性骨缺陷的体内成像结果和QCS/TCP支架植入后的三维扫描结果[1]
Icam1靶向的磁-压电纳米颗粒的设计与合成
为应对感染性骨缺损治疗中的挑战，本研究设计了一种磁性与压电双响应的铁掺杂钛酸钡（BFTO, BaFexTi1–xO3）纳米颗粒。这些纳米颗粒基于传统钛酸钡材料，通过引入铁元素改性，赋予其磁性特性。为提高炎症部位的靶向能力，研究团队采用天然具有炎症趋向的骨髓间充质干细胞（MSC）膜对BFTO纳米颗粒进行包覆，并通过γ3肽修饰MSC膜，使其能够特异性结合Icam1+巨噬细胞。通过这种双重靶向策略，既增强了治疗的靶向性，又降低了非靶向效应。
免疫荧光染色和透射电子显微镜（TEM）分析表明，这些纳米颗粒结构均匀，并通过干细胞膜形成了完整的包覆层。能量色散光谱（EDS）测试进一步验证了颗粒中铁元素的均匀分布。Zeta电位分析显示，包覆后的纳米颗粒电性由正转负，有助于其生物兼容性。此外，这些纳米颗粒在交变磁场作用下能够产生显著的磁热效应，同时避免过度加热对周围组织的潜在损伤。
磁性/超声双响应铁掺杂钛酸钡纳米载体的构建和对Icam1+巨噬细胞的调节效应[1]
BFTO-Cur@EMM纳米颗粒的抗菌作用及对Icam1+巨噬细胞的调控
为了进一步提升治疗效果，研究团队在BFTO@EMM纳米颗粒中添加了姜黄素（Curcumin），这种具有抗菌、抗炎及促进骨再生性能的活性分子。在交变磁场（AMF）刺激下，BFTO-Cur@EMM纳米颗粒表现出优异的抗菌性能，并通过低强度脉冲超声（LIPUS）有效调控Icam1+巨噬细胞的免疫反应和极化状态。实验结果显示，姜黄素的引入显著增强了纳米颗粒对生物膜的破坏作用和细菌的杀灭能力，并通过LIPUS激活Icam1+巨噬细胞的修复表型，利用赛业OriCell®提供的小鼠MC3T3-E1细胞成骨诱导分化试剂盒，研究人员对巨噬细胞对MC3T3成骨分化能力进行检测，成功证实了巨噬细胞应答导致的成骨分化差异，证实纳米颗粒改善感染性骨缺损的再生效果。
BFTO-Cur@EMM纳米颗粒的抗菌效果和对Icam1+巨噬细胞极化的LIPUS调节作用[1]
压电效应激活Icam1+巨噬细胞氧化磷酸化的分子机制
通过转录组测序分析，研究揭示了LIPUS刺激下，BFTO-Cur@EMM纳米颗粒通过压电效应激活Icam1+巨噬细胞的分子机制。研究发现，在超声刺激条件下，这些纳米颗粒促进了巨噬细胞氧化磷酸化相关基因的表达，同时抑制了炎症反应通路（如MAPK-JNK通路）。相反，JAK2-STAT3通路的显著激活进一步促进了巨噬细胞的修复功能。通过结合特定信号通路抑制剂和激活剂的实验，研究确认了这些信号通路对氧化磷酸化和骨再生的调控作用。
压电效应对Icam1+巨噬细胞OXPHOS影响的RNA测序分析[1]
双响应抗菌骨修复支架的制备与表征
为了提升治疗效果，研究团队将BFTO-Cur@EMM纳米颗粒整合到3D打印的QCS/TCP复合支架中。表征结果显示，该支架具备良好的多孔结构、优异的机械性能（抗压强度接近80 MPa）以及均匀的纳米颗粒分布。此外，支架在磁场和超声刺激下能够产生适度的热效应和氧化磷酸化响应，有效促进骨再生。
3D打印的嵌入磁性/超声双响应钛酸钡纳米颗粒的骨修复支架的构建和特性[1]
QT/BFTO-Cur@EMM支架在动物模型中的应用效果
通过在感染性骨缺损的大鼠模型中植入QT/BFTO-Cur@EMM支架，研究进一步评估了其治疗效果。在交变磁场和超声的刺激下，该支架能够显著破坏细菌生物膜并促进骨组织再生。组织学和显微CT结果显示，支架内形成了致密的新生骨组织，同时支架的降解对骨修复过程无不良影响。这表明，QT/BFTO-Cur@EMM支架具有广阔的临床应用潜力，为感染性骨缺损的治疗提供了一种创新的解决方案。
QT/BFTO-Cur@EMM支架对感染性骨缺陷修复的体内效应[1]
总结
本研究针对感染性骨缺损这一临床难题，开发了一种创新的双响应磁-压电纳米颗粒增强型3D打印骨修复支架。通过靶向Icam1+巨噬细胞的氧化磷酸化功能，该支架成功实现了感染控制与骨再生的协同作用。研究利用先进的单细胞测序技术揭示了Icam1+巨噬细胞在感染性骨缺损中的关键抑制作用，并通过整合磁响应和压电效应的铁掺杂钛酸钡纳米颗粒，有效改善了巨噬细胞的修复表型转化。
原文检索：
[1] Wu, H.; Chen, C.; Li, J. et.al. Engineered Magneto-Piezoelectric Nanoparticles-Enhanced Scaffolds Disrupt Biofilms and Activate Oxidative Phosphorylation in Icam1+ Macrophages for Infectious Bone Defect Regeneration. ACS Nano 2024. DOI: 10.1021/acsnano.4c13562.
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