作 者

帅词俊、师晓欣、杨锋、田海锋、冯佩

机 构

中南大学

Citation

Shuai C J, Shi X X, Yang F, Tian H F, Feng P. 2024. Oxygen vacancy boosting Fenton reaction in bone scaffold towards fighting bacterial infection. Int. J. Extrem. Manuf. 6 015101. 

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad01fd

撰稿 | 文章作者

01 文章导读

人工骨移植后的细菌感染已成为一个严重的并发症，因为骨缺损常伴随着感染和开放性伤口，而缺乏抗菌功能的骨支架更是为细菌提供了生长和繁殖的环境，这可能会导致骨移植失败甚至更严重情况下造成截肢。目前的抗生素治疗虽然直接，但过度使用可能导致药物毒性，甚至诱发超级细菌的产生。研究者们已经尝试了不同的抗菌策略，但如Ag、Cu和Zn这些重金属的生物相容性仍存在争议。鉴于这些问题，中南大学机电工程学院、极端服役性能精准制造全国重点实验室的帅词俊教授、冯佩副教授在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表《氧空位助力芬顿反应对抗骨支架细菌感染》的研究型文章，创新性地提出了将含有丰富氧空位缺陷的Fe掺杂TiO2纳米颗粒结合到生物可降解的聚合物材料中，并通过选择性激光烧结技术构建具有良好抗菌活性的复合骨支架，从而增强芬顿反应的效率，实现更高效和更安全的骨支架抗菌功能。图1（左上和右上）分别展示了通过高能球磨法合成富含氧空位缺陷的Fe掺杂TiO2纳米颗粒以及通过选择性激光烧结技术制备抗菌复合骨支架的过程，（左下）展示了抗菌复合骨支架基于芬顿反应富集H2O2及生成羟基自由基（·OH）的示意图，（右下）展示了氧空位助力芬顿反应促进抗菌复合骨支架对抗细菌感染的示意图。

关键词

细菌感染；骨支架；选择性激光烧结；芬顿反应；抗菌性能

亮  点

• 采用高能球磨法构建富含氧空位缺陷的抗菌材料；

• 采用选择性激光烧结技术制备具有个性化形状和多孔结构的支架；

• 支架中富含氧空位的抗菌物质能够吸附H2O2，富集在细菌感染部位；

• 富集的H2O2能够增强芬顿反应效率，诱导产生更多的·OH；

• 支架展现出与人体骨相匹配的力学性能和良好的生物相容性。

图1（左上和右上）高能球磨法合成富含氧空位缺陷的Fe掺杂TiO2纳米颗粒及选择性激光烧结技术制备抗菌复合骨支架的过程示意图；（左下）抗菌复合骨支架基于芬顿反应富集H2O2及生成·OH的示意图；（右下）氧空位助力芬顿反应促进抗菌复合骨支架对抗细菌感染的示意图。

02 研究背景

全球每年因创伤、感染、肿瘤等导致的骨缺损患者约2000万人，亟需进行骨缺损修复。目前已有采用生物材料来构建人工骨支架用于修复骨缺损的研究报道。但由于其天然缺乏抗菌功能，细菌感染成为需要突破的瓶颈问题，特别是大肠杆菌和金黄色葡萄球菌等细菌感染使得病人经常面临移植失败的风险。当前的治疗策略，如抗生素治疗和抗菌涂层，尽管取得了一些效果，但仍面临诸多挑战，如药物毒性、抗生素耐药性以及关于重金属的生物相容性问题。因此，开发更有效且更安全的抗菌策略迫在眉睫。

03 研究内容

本研究采用高能球磨法成功合成了富含氧空位缺陷的Fe掺杂TiO2（OV-FeTiO2）纳米颗粒，并将其结合到聚己内酯/聚乙醇酸（PCL/PGA，标记为PCLGA）生物可降解聚合物中，通过选择性激光烧结（SLS）技术制备得到具有抗菌功能的PCLGA/OV-FeTiO2复合骨支架。重点研究了OV-FeTiO2纳米颗粒在高能球磨过程中缺陷结构的演变机制，以及构建PCLGA/OV-FeTiO2复合骨支架基于芬顿（Fenton）反应的抗菌机制，为之后进一步的研究优化和应用提供了重要的理论基础。

具体来说，在球磨过程中强机械冲击的作用下，纳米TiO2和Fe3O4复合粉末经过多次焊合和断裂，较大粒径的Fe3O4纳米颗粒被较小粒径的TiO2纳米颗粒所包裹，Fe原子进入TiO2晶格并置换部分的Ti原子，同时TiO2表面晶格氧原子逃逸，从而产生氧空位（OV）缺陷（图2）。

图2 OV-FeTiO2纳米颗粒的合成及结构表征。（a）高能球磨合成OV-FeTiO2纳米颗粒的过程示意图；（b）OV-FeTiO2的SEM图像；（c）OV-FeTiO2的微观精细结构。（c-i）-（c-iii）TEM、HRTEM图像和Ti、O、Fe元素映射图。（c-ii）插图为选定区域的电子衍射图；（d）和（e）TiO2、Fe3O4和OV-FeTiO2的XRD图谱和FTIR光谱；（f）OV-FeTiO2的元素组成和化学状态。（f-i）TiO2和OV-FeTiO2的XPS光谱。（f-ii）OV-FeTiO2的高分辨率Ti 2p光谱，插图为TiO2和OV-FeTiO2的Ti 2p光谱。（f-iii）TiO2和OV-FeTiO2的高分辨率O 1s光谱；（g）TiO2和OV-FeTiO2的EPR光谱。

通过SLS技术制备得到具有抗菌功能的PCLGA/OV-FeTiO2复合骨支架。为了了解OV参与H2O2吸附和活化及Fenton反应生成·OH的过程，我们分别设计了根据电流变化监测H2O2浓度实验以及亚甲基蓝（MB）和3,3',5,5'-四甲基联苯胺（TMB）的降解和氧化实验，评估PCLGA/OV-FeTiO2参与Fenton反应产生·OH的性能（图3）。

图3 OV参与活化H2O2和Fenton反应生成·OH。（a）H2O2安培监测的实验装置；（b）添加H2O2后的电流响应；（c）PCLGA/OV-FeTiO2吸附H2O2示意图；（d）PCLGA/OV-FeTiO2对TMB的氧化。（d-i）和（d-ii）TMB氧化的化学反应示意图以及生成的•OH对TMB的氧化显色照片和紫外-可见吸收光谱。（d-iii）PCLGA/OV-FeTiO2生成•OH对H2O2的浓度依赖性；（e）PCLGA/OV-FeTiO2对MB的降解。（e-i）和（e-ii）MB降解的化学反应示意图以及生成的•OH对MB的降解。（e-iii）和（e-iv）PCLGA/OV-FeTiO2生成•OH对H2O2的浓度依赖性和pH依赖性；（f）PCLGA/OV-FeTiO2的EPR光谱；（g）PCLGA/OV-FeTiO2参与Fenton反应吸附和活化H2O2及生成·OH的示意图。

体外抗菌实验结果显示这种抗菌策略针对革兰氏阴性的大肠杆菌（E. coli）和革兰氏阳性的金黄色葡萄球菌（S. aureus）显示出有效的广谱抑菌性能（图4）。并提出可能的抗菌机理：随着支架的逐步降解，OV-FeTiO2纳米粒子逐渐暴露并释放出Fe2+/Fe3+离子，通过静电作用极易吸附到带负电荷的细菌细胞膜上，引起膜破坏和内皮细胞渗漏。随后，暴露在支架表面的OV-FeTiO2纳米颗粒通过吸附细菌感染微环境中更多的H2O2，使其在细菌感染部位富集，从而增强Fenton反应效率，进而产生更多的·OH。·OH的形成可以通过氧化应激破坏细菌细胞膜、损伤DNA结构、失活蛋白质和ATP合成酶等，从而显著诱导细菌凋亡（图5）。此外，该复合骨支架还拥有与人体松质骨相匹配的力学性能，以及良好的细胞粘附、增殖和成骨分化作用，表现出良好的生物相容性。

图4 不同支架的抗菌性能。（a）E. coli和S. aureus与PCLGA、PCLGA/TiO2、PCLGA/Fe3O4和PCLGA/OV-FeTiO2支架共培养后形成的菌落照片；（b）与（a）一一对应的支架的抑菌率；（c）E. coli和S. aureus与支架共培养的活/死细菌荧光图像；（d）活/死细菌荧光染色定量分析；（e）支架表面细菌的SEM图像。E. coli呈绿色，S. aureus呈金黄色。

图5 OV助力Fenton反应促进PCLGA/OV-FeTiO2骨支架对抗细菌感染的示意图。细菌感染微环境中的H2O2在OV-FeTiO2吸附作用下富集在细菌感染部位，从而促进Fe2+/Fe3+参与Fenton反应生成更多的·OH。

04 未来展望

光热疗法正逐渐成为骨移植领域的研究热点，其低侵害性、低副作用和快速恢复的特点备受关注。考虑到TiO2-x和Fe3O4纳米颗粒在近红外线生物窗口中的高光热转换效率，我们期望结合芬顿反应和光热疗法能够进一步增强骨支架的抗菌性能，为骨移植领域带来更快速和高效的抗菌治疗方法，为人类健康带来更多的保障。

05 作者简介

帅词俊，中南大学机电工程学院教授，全国百篇优秀博士论文获得者，国家高层次人才计划入选者。一直从事3D打印组织再生结构的技术与装备研究，主要研究成果发表在《Adv Funct Mater》《Nano Energy》等期刊上，出版中英文专著8部，授权与申报专利100余项；主持国家自然科学基金重点项目和霍英东基金等课题，获省自然科学一等奖1项(排1)、省部级二等奖5项(4项排1)、省医学科技一等奖2项(均排1)。

冯佩，博士生/硕士生导师，中南大学机电工程学院副教授。主要从事激光3D打印/增材制造、4D打印等领域的研究，以第一/通讯作者在《Adv Funct Mater》《Adv Sci》《Small》等期刊上发表SCI论文50余篇，被《Nat Rev Mater》《Chem Rev》等期刊正面引用6300余次，出版英文学术专著3部，授权发明专利15项；主持国家自科基金面上项目、青年基金，国家重点研发计划子课题、博新计划、省优青等；获湖南医学科技一等奖2项，省部级二等奖4项。