IF 18.9| BioTNT助力生物材料研究：一种具有时序抗菌活性和软组织密封功能的可充电涂层
2024年9月，中国科学院上海硅酸盐研究所在国际期刊《Bioactive Materials》上发表的，题为“A rechargeable coating with temporal-sequence antibacterial activity and
soft tissue sealing”的论文。Fang Wang为第一作者，Jiajun Qiu,Xuanyong Liu为通讯作者。
背景：随着穿透性植入物（如牙科植入物和外固定器）在医疗治疗中的使用日益增加，软组织 - 植入物界面的细菌感染成为一个重大问题。穿透性植入物穿透完整的皮肤或黏膜，导致人体内部暴露于外来物质。人工材料与皮肤或黏膜之间的间隙破坏了皮肤对病原体的天然屏障。在入侵之后，细菌会竞争性地黏附在生物材料表面，阻碍软组织的密封。此外，随着时间的推移，细菌感染的不良影响会迅速加剧，这些黏附在生物材料表面的细菌会在细胞外聚合物基质中聚集形成生物膜，表现出对抗生素和宿主防御的抗性。因此，在细菌最初黏附阶段高效清除细菌至关重要。由于其生物相容性和良好的机械性能，生物医用钛及其合金常用于穿透性植入物。然而，钛表面缺乏抗菌活性是一个主要缺点，人们已经通过将抗生素或抗菌肽纳入其中，以及使用无机抗菌金属元素、氧化石墨烯衍生物和抗菌聚合物进行表面改性等策略来解决这一问题。更好的软组织密封可以成为一种自然且强大的细菌屏障。然而，实现最佳抗菌效果和组织再生之间的平衡是一项挑战，这导致了一个悖论。过度暴露于具有显著抗菌特性的杀菌剂已被发现会引发明显的组织损伤。因此，为了减轻长期暴露于抗菌材料的累积影响，并为软组织修复提供有利的环境，设计能够调节时序的表面是非常理想的，这种表面可以在最初的竞争黏附阶段杀死细菌，同时增强细胞黏附，然后在后期的组织修复阶段促进细胞增殖。
研究信息：在此，我们构建了一种可充电的模型（HPI-Ti），该模型使用苝聚酰亚胺（一种水系电池材料），实现了细菌杀灭和软组织密封的时序调控。HPI-Ti在经过恒流充电后实现电荷存储，当浸入生理环境时便开始化学放电。在早期放电阶段，充电后的HPI-Ti展现出99.96 ± 0.01%的抗菌率，能够有效防止生物膜的形成。细菌与材料之间的接触依赖性剧烈电子转移导致细菌死亡。在后期放电阶段，减弱的放电状态为成纤维细胞增殖创造了更温和的电子转移微环境。放电后，可通过充电重新激活抗菌活性，以应对潜在的再感染。抗菌效果和软组织相容性已在体内得到验证。这些结果表明，基于电荷转移的模型在协调抗菌效果与组织相容性方面具有潜力。
使用产品：
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cust-其他引物
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200ul*10um*2
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人牙龈成纤维细胞（HGFs）黏附相关基因的相对mRNA表达水平检测：采用实时定量聚合酶链式反应（RT-qPCR）技术，检测在不同组样本上培养的人牙龈成纤维细胞（HGFs）中与细胞黏附相关基因的表达情况。首先，将细胞密度为1.0×10?个/mL的4 mL细胞悬浮液加入到6孔细胞培养板中。经过6天的培养后，弃去培养基，用PBS缓冲液冲洗孔板两次。随后，向每个孔中加入1 mL TRIzol试剂（Invitrogen，美国赛默飞世尔科技公司）进行RNA提取。利用Roche cDNA逆转录试剂盒（瑞士罗氏公司）将提取的RNA转录为cDNA。在Roche LightCycler480仪器上进行PCR实验，以GAPDH基因作为内参基因。采用2?ΔΔCt法对黏附相关基因（FN、Talin 1和Vinculin）的相对表达水平进行分析。本研究中使用的基因引物购自上海冠泰生物技术有限公司，每组均设置三份样本，并进行两次重复实验。本研究中使用的引物序列列于表S4。
结论：
总之，我们开发了一种可充电的聚酰亚胺（HPI）涂层，用于医用钛（HPI-Ti），以实现抗菌活性和软组织密封的时序调控。通过调整充电阈值，制备了不同电容的后充电HPI-Ti（HPI-Ti-1和HPI-Ti-2）。当浸入生理盐水时，由化学势驱动开始放电。在早期放电阶段，HPI-Ti-2展现出99.96 ± 0.01%的持续抗菌率，可维持24小时，并能防止生物膜的形成。此外，我们观察到细菌接种的HPI-Ti-2的抗菌效率与放电电位之间存在强烈的关联。测试了HPI-Ti-2的I-V曲线和EIS中由细菌贡献的电信号。通过不同的放电阶段实现了抗菌活性和软组织密封的时序调控（方案2）。在初始黏附阶段，细菌与材料之间的剧烈电子转移导致细菌膜受损、ATP合成受阻以及细菌内活性氧（ROS）的积累。此外，后充电HPI-Ti增强了成纤维细胞的黏附和迁移能力。在后期放电阶段，减弱的放电状态为细胞生长提供了更有利的环境。因此，后充电HPI-Ti不仅在体外促进了成纤维细胞的增殖，还在体内促进了软组织的密封。此外，重新充电可以潜在地恢复抗菌活性，作为预防潜在再感染的措施。对钛上可充电HPI涂层的系统研究表明，这是一种设计具有增强抗菌效果和软组织相容性的时序调控装置的策略。