氧空位富集纳米反应器：超声驱动协同杀菌与促骨再生的创新突破

为解决钛植入物相关感染（IAIs）难题，研究人员制备 (BiFe)0.9(BaTi)0.1O3?x纳米反应器，实现高效抗菌与促骨生成。

　　在骨科医疗领域，钛（Ti）基金属凭借良好的机械性能和生物相容性，广泛应用于骨植入物。然而，它却存在一个棘手的问题 —— 与细菌的 “友好相处”。这使得钛植入物容易引发植入物相关感染（IAIs），给患者带来极大痛苦。目前，治疗 IAIs 主要依赖手术植入物的修订和反复使用抗生素，但抗生素的滥用导致耐药性问题日益严重，细菌形成的生物膜又阻碍了药物的渗透，使得治疗效果大打折扣。因此，开发一种无抗生素的治疗平台迫在眉睫，这不仅能有效对抗细菌感染，还能促进骨整合，为患者带来新的希望。

四川大学华西医院的研究人员针对这一难题展开了深入研究，他们制备了一种氧空位富集的 (BiFe)_0.9(BaTi)_0.1O_3?x（BFBT）纳米反应器作为压电声敏剂，通过时空超声驱动的声动力和化学动力串联催化，实现了高效抗菌，并促进了骨生成。该研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为解决 IAIs 问题提供了新的方向。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。通过固相反应法合成了 BFBT 纳米晶体，利用多种表征技术如透射电子显微镜（TEM）、X 射线衍射（XRD）、拉曼光谱等对其结构进行了详细分析；采用电化学阻抗谱（EIS）、电子顺磁共振（EPR）等技术研究了其压电催化活性；通过体外抗菌实验、转录组学分析、体内动物实验等探究了其抗菌机制、成骨能力和免疫调节作用。

下面来具体看看研究结果。

• BFBT 纳米晶体的结构：TEM 和元素映射显示 BF 和 BFBT 样本的颗粒大小不规则，分布均匀。HR-TEM 图像表明两者都有清晰有序的晶格条纹，BFBT 的晶面间距（d）值更大，结晶度有所下降。XRD 结果显示 BFBT 具有更纯的钙钛矿晶体结构，拉曼光谱和二次谐波产生（SHG）测试表明其压电性能得到增强。
• BFBT 纳米晶体的压电催化活性：实验表明，BFBT 在超声作用下能产生大量的?OH 和?O₂^?，其产生的活性氧（ROS）量明显高于 BF。EIS 和瞬态压电电流光谱显示 BFBT 的电荷转移电阻更低，载流子生成速率更高。EPR 光谱和 XPS 分析表明，掺杂缺陷工程增加了氧空位（OVs）浓度，促进了 Fe (III)/Fe (II) 循环，维持了较高水平的 Fe (II)，从而实现了持续的类芬顿反应，产生大量 ROS。
• BFBT 纳米晶体增强压电催化性能的机制研究：通过对 BF 和 BFBT 的能带结构进行研究，发现 BFBT 的导带（E_CB）电位更负，有利于氧化还原反应。DFT 计算表明，BFBT 中富电子的 Fe 降低了 H₂O₂吸附和解离的能垒，促进了串联反应，提高了 ROS 生成效率。
• 体外抗菌评估：研究人员对不同的支架进行了表面修饰，制备了 Ti@pDA（Tp）、Tp@HA（TH）、TH-BF 和 TH-BFBT 等支架。体外抗菌实验表明，在超声作用下，TH-BFBT 对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）的杀菌率极高，能有效破坏细菌生物膜。循环抗菌测试显示其抗菌性能稳定。
• 抗菌机制的生物学分析：RNA 测序分析表明，TH-BFBT 在超声作用下，通过破坏细菌的双组分系统（TCS），干扰细菌铁代谢，诱导细菌发生铁死亡样死亡。实验观察到细胞内 ROS 水平、脂质过氧化水平和 Fe (II) 积累增加，进一步证实了这一机制。
• 体外成骨和免疫调节：细胞实验表明，TH-BFBT 支架具有良好的生物相容性，能促进细胞粘附和增殖。其碱性磷酸酶（ALP）表达增加，骨形态发生蛋白 2（BMP-2）和 Runt 相关转录因子 2（RUNX2）表达水平升高，表明其具有良好的成骨能力。此外，TH-BFBT 能调节巨噬细胞极化，促进 M1 向 M2 巨噬细胞的转化，减少促炎细胞因子的表达，增加抗炎细胞因子的表达，从而加速骨修复。
• 体内抗菌性能：在大鼠体内实验中，感染金黄色葡萄球菌的支架植入骨缺损处，经超声处理后，TH-BFBT 组的细菌数量明显减少，炎症反应减轻，表明其在体内具有良好的抗菌效果。
• 体内成骨性能：Micro-CT 扫描和组织学分析表明，TH-BFBT 组在体内能促进新骨形成，增加骨小梁厚度、数量，降低骨小梁分离度，提高骨体积与总体积的比值（BV/TV）。免疫荧光染色显示其能促进 M1 向 M2 巨噬细胞极化，增强血管化，提高成骨相关因子的表达。

研究结论和讨论部分指出，该研究开发的超声触发的压电纳米反应器为 IAIs 的有效治疗提供了新策略。BFBT 通过声动力和化学动力串联催化产生大量 ROS，破坏细菌的 TCS，诱导细菌铁死亡样死亡，实现高效抗菌。同时，它能调节巨噬细胞反应，促进骨修复，在体内实验中显著增强了新骨形成。这一研究为设计无铅压电材料在生物医学领域的应用提供了潜在策略，不仅有助于治疗 IAIs，还可能为其他感染性疾病的治疗提供新思路，在生命科学和健康医学领域具有重要的意义和应用价值。