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为解决植入物相关感染（IAIs）中抗生素耐药和炎症-骨修复失衡难题，研究人员开发了壳中壳结构Cu2O-Sr/Cur草本生物异质结涂层。超声（US）激活下产生ROS诱导细菌溶解，释放Cu(I)引发铜死亡样代谢崩溃，抗菌率超99%；静息期Cu(II)-Cur复合物增强抗氧化/抗炎活性并协同Sr促进成骨。该研究实现了感染控制-免疫调节-骨再生时序性治疗。
在骨科和牙科植入物广泛应用的时代，植入物相关感染（Implant-Associated Infections, IAIs）仍是导致手术失败和患者痛苦的顽固难题。传统抗生素疗法不仅难以彻底清除逃逸的浮游细菌，还可能诱发耐药性，使得感染反复发作。更棘手的是，细菌死亡后释放的内毒素会引发过度炎症反应，而感染微环境又会激活破骨细胞，进一步阻碍骨修复。面对这一多重挑战，迫切需要开发一种非抗生素策略，能够同时实现高效抗菌、炎症调控和骨整合促进的功能。
近期发表在《Signal Transduction and Targeted Therapy》的一项研究，报道了一种全新的超声响应型涂层材料，为解决这一难题提供了创新性的解决方案。该研究团队巧妙设计了一种具有壳中壳结构的草本生物异质结（Herbal Bio-heterojunction, HB-bioHJ），其核心为Cu2O，内壳负载锶（Sr），外壳异质界面原位成核姜黄素（Cur），形成Cu2O-Sr/Cur复合体系。这种设计实现了治疗功能的时空精准调控：在超声激活阶段发挥强力抗菌作用，在静息期则转向抗炎和成骨修复。
为开展这项研究，研究人员采用水热合成法一步制备了壳中壳Cu2O-Sr纳米球，然后通过DMF溶液搅拌使Cur在外壳异质界面成核，最后通过聚多巴胺（pDA）的强粘附作用将纳米材料牢固负载在3D打印的聚醚酮酮（PEKK）支架上，构建了Pp-CSC（PEKK-pDA-Cu2O-Sr/Cur）植入体涂层。研究运用了包括扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等材料表征技术；通过电化学分析、电子自旋共振（ESR）和荧光探针评估了声动力性能；采用转录组测序（RNA-seq）和KEGG通路分析探究抗菌机制；通过体外细胞实验（MC3T3-E1成骨细胞和RAW264.7巨噬细胞）和SD大鼠股骨髁感染模型进行了全面的生物学功能评价。
研究人员成功合成了具有粗糙表面的微球结构，平均尺寸为500纳米。TEM确认了其壳中壳纳米结构，SEM和EDS显示Cu、O、C和Sr元素在球状结构上均匀分布。FTIR分析显示Cu2O-Sr/Cur复合材料出现了Cur特征吸收带的红移，表明Cur与Cu2O基底之间存在氢键或金属-配体配位作用。XRD图谱显示了Cu2O和Cur的特征峰，证实了材料合成的成功。
在超声刺激下，Cu2O-Sr/Cur表现出显著的声电流密度，而其他组仅显示微小波动。电化学阻抗谱（EIS）显示Cu2O-Sr/Cur的界面电阻降低，表明声载流子转移能够减少电荷转移势垒。通过DPBF和MB探针检测发现，超声照射下Cu2O-Sr/Cur能有效产生单线态氧（1O2）和羟基自由基（·OH），且性能显著优于Cu2O-Sr。
紫外-可见漫反射光谱（UV-vis DRS）显示Cu2O-Sr/Cur的光学带隙为1.284 eV，低于Cur（2.148 eV）和Cu2O-Sr（1.758 eV）。密度泛函理论（DFT）计算显示Cu2O和Cur界面吸附能为-2.26 eV，表明界面相互作用在热力学上有利。差分电荷密度（DCD）显示键合后Cu2O表面电子富集，Cur侧电子减少，支持内建电场的存在。态密度（DOS）分析表明费米能级附近的电子态主要由Cu2O贡献，与原始Cu2O相比强度增强，表明与Cur的相互作用提高了电导率。
将Cur、Cu2O-Sr和Cu2O-Sr/Cur通过pDA固定在PEKK支架上，分别命名为Pp-C、Pp-CS和Pp-CSC。在超声刺激下，Pp-CSC对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）的抗菌效率分别达到99.56%和99.43%。在没有超声的情况下，Pp-CS和Pp-CSC也表现出一定的抗菌活性。LIVE/DEAD荧光染色证实了上述结果。通过荧光探针DCFH-DA评估ROS水平发现，超声激活后Pp-CSC组的荧光强度比基线增加了近四倍，显著超过其他组。
SEM观察显示Pp-CSC联合超声引起细菌表面严重损伤和结构坍塌。Bio-TEM评估显示Pp-CSC（US+）组的细菌包膜受损，细胞质膜破裂，伴有细胞质泄漏。这些观察表明Pp-CSC介导的声动力治疗（SDT）具有显著的声催化性能，能够有效清除病原微生物。
通过对超声处理的Pp（US+）或Pp-CSC（US+）处理的金黄色葡萄球菌菌株进行转录组分析，发现579个基因表达上调，480个基因表达下调。KEGG富集分析显示Pp-CSC（US+）主要影响核糖体、氧化磷酸化、柠檬酸循环（TCA循环）、糖酵解/糖异生和RNA聚合酶等细菌相关通路。
KEGG富集显示Pp-CSC（US+）显著破坏了TCA循环通路，表明存在铜死亡样死亡机制。pdhA和pdhB的上调影响了E1的表达，导致丙酮酸脱羧能力下降。RS05125和IpdA的上调限制了二氢硫辛酰胺转乙酰酶和二氢硫辛酰胺脱氢酶的活性，破坏了硫辛酰赖氨酸循环，从而降低了E2活性。此外，sucB基因表达的上调可能影响二氢硫辛酰胺琥珀酰转移酶的活性，导致α-酮戊二酸脱氢酶复合物活性降低，影响TCA循环。
参与氧化磷酸化的基因（RS02015、atpA、atpB、atpD、atpE、atpG、RS10720、RS10745和RS10740）也发生显著改变。RS02015的上调损害了NADH脱氢酶（复合物I）的活性，而atpA和atpB等基因的表达增加降低了ATP合酶（复合物V）的活性，从而阻碍电子流动和ATP合成，降低细菌ATP水平。
机制研究表明，单独使用Pp-CSC浸出液的抗菌率低于50%，表明仅Cu(I)释放不足以有效杀菌。在铜螯合剂四硫钼酸盐（TTM）存在下，抗菌率提高到65%，表明ROS在细菌灭活中起主要作用。蛋白质泄漏实验显示Pp-CSC+US引起最严重的细胞质泄漏，反映细菌膜广泛损伤。细菌DNA定量显示Pp-CSC（US+）组中完整DNA极少，表明ROS风暴导致DNA广泛损伤。
除了有效灭活细菌，良好的声纳米反应器还应尽量减少对正常组织的伤害并促进骨缺损愈合。MC3T3-E1前成骨细胞的活力和增殖评估显示，Pp-CS支架表现出一定细胞毒性，可能归因于Cu(I)的存在。而Pp-CSC支架表现出良好的细胞相容性，主要归因于Cur的生物活性，能促进细胞增殖和减轻氧化应激。
通过F-actin染色和牛骨切片评估Pp-CSC对破骨细胞分化的影响，发现Pp-CSC和Pp-CS组未见明显破骨细胞形成，没有明显的伪足或actin环折叠区域。RAW264.7细胞在牛骨切片上培养并用甲苯胺蓝染色，Pp-CSC和Pp-CS组的染色面积明显小于其他组。破骨细胞酶活性在Pp-CSC和Pp-CS中显著降低，TRAP阳性多核破骨细胞面积减少。
PCR分析显示，acp5、NFATc1和MMP9下调，而OPG上调，这可能源于上调的OPG与RANK竞争性结合，抑制破骨细胞分化和骨吸收。在成骨分化方面，碱性磷酸酶（ALP）和茜素红S（ARS）测定表明Pp-CSC在促进成骨方面优于其他支架。此外，Pp-CSC增加了成骨标志物的表达水平，包括ALP、骨钙素（OCN）和骨形态发生蛋白2（BMP2）。
在Cu2O-Sr/Cur纳米载体中，Cu2O在富含H2O2的环境中发生歧化反应，形成Cu(II)和Cu(0)，然后与Cur结合形成Cu(II)-Cur。XPS测量显示，暴露于过氧化氢后，Cu(I)与Cu(II)的积分面积比降低了14.5%，表明与过氧化氢反应过程中表面部分Cu(I)被氧化为Cu(II)。UV-Vis吸收光谱显示在PBS与H2O2中纳米结构出现新的吸收峰（520 nm），与Cu(II)-Cur的UV-Vis谱一致，表明逐渐形成Cu(II)-Cur。
ESR光谱检测显示，加入Cu2O-Sr/Cur+H2O2或Cu(II)-Cur后，O2·的特征信号（1:1:1:1）显著减弱，表明其有效的O2·清除能力。此外，Cu2O-Sr/Cur的O2·清除能力优于Cur，与超氧化物歧化酶（SOD）活性测定结果一致。Cu2O-Sr/Cur的O2·清除性能随着与H2O2反应时间的增加而增强，这归因于Cu(II)-Cur的形成。ESR光谱和亚甲基蓝（MB）降解实验证实Cu(II)-Cur和Cu2O-Sr/Cur都能有效清除·OH。
循环伏安法（CV）显示Cu(II)-Cur复合物相对于单独的Cur出现额外的氧化峰，源于Cu的催化功能改变了系统的氧化还原性质。观察到的氧化峰阴极偏移和还原峰阳极偏移反映了Cu(II)和Cur之间增强的结合亲和力。一方面，Cur可以调节Cu(II)的催化功能，赋予复合物超氧化物歧化酶模拟活性，有效消除O2·。另一方面，Cu配位可以扰动Cur的电子结构，增强氢原子转移，从而促进·OH清除。因此，Cu2O-Sr/Cur介导的自催化调节策略能够产生高抗氧化性的Cu(II)-Cur，支持灭菌后的抗氧化管理。
免疫荧光染色评估Cu2O-Sr/Cur对巨噬细胞表型转变的影响，发现Pp-Cu(II)-Cur和Pp-CSC组均显示M2样巨噬细胞（CD206+）显著增加，同时M1样巨噬细胞（iNO+）显著减少。这些发现表明Cu2O-Sr/Cur生成的Cu(II)-Cur促进巨噬细胞向抗炎和组织修复的M2表型极化，同时抑制M1相关的炎症激活。
在SD大鼠中建立股骨髁骨感染模型以评估工程化植入物的抗生物膜能力。感染诱导后，在植入部位施加超声刺激（1MHz，50%占空比，1.5W cm-2）。手术后7天，处死大鼠并取股骨进行微生物培养和组织检查。肉眼检查显示Pp（US+）、Pp-C（US+）、Pp-CS（US+）和Pp-CSC（US-）组植入物周围有显著分泌物和脓液，而Pp-CSC（US+）组未见分泌物或脓液，表明有效灭菌。
菌落形成单位（CFU）分析显示：Pp（US+）> Pp-C（US+）≈ Pp-CSC（US-）> Pp-CS（US+）> Pp-CSC（US+），表明超声激活的HB-bioHJ显著加速了体内感染的清除。此外，Pp-CSC（US+）组稀释菌液的OD值最低，进一步证明其优异的抗菌活性。使用DiR标记的金黄色葡萄球菌进一步验证了材料在超声下的抗菌效果，显示Pp-CSC（US+）组的细菌荧光信号在10分钟内减弱并消失，证明了SDT优异的体内抗菌功效。
植入骨周围组织的苏木精和伊红（H&E）和吉姆萨染色评估感染状态。H&E染色显示Pp-CSC（US+）组支架周围炎症细胞最少，而其他组相邻骨区域呈现显著炎症细胞浸润。吉姆萨染色显示Pp-CSC（US+）组细菌存在极少。结果证明Pp-CSC能在超声刺激下有效对抗细菌并缓解细菌相关炎症。
在植入后第4和第8周对含植入物的股骨进行微计算机断层扫描（micro-CT），评估各治疗组植入物界面的新骨形成。IMARIS软件生成股骨髁和骨缺损区域的三维重建，显示Pp-CSC（US+）组支架周围新骨体积最大，表明工程化植入物在体内具有优异的成骨能力。其他组表现出明显的缺损周围骨丢失，主要归因于炎症和细菌诱导的骨溶解。第8周时，Pp-CSC（US+）组的新骨有效填充了支架孔隙。
基于micro-CT数据，Pp-CSC（US+）组骨小梁分离度（Tb.Sp）显著降低。其他参数如骨体积/总体积（BV/TV）、骨小梁厚度（Tb.Th）和骨小梁数量（Tb.N）在Pp-CSC（US+）组最高。为了进一步验证壳中壳结构的必要性并阐明Sr的体内功能，在第4周进行micro-CT分析，评估单壳Cu2O-Sr/Cur（Pp-Single CSC(+)组）、壳中壳Cu2O-Sr/Cur和无Sr的Cu2O/Cur（Pp-Cu2O/Cur(+)组）支架的成骨性能。与Pp-Single CSC(+)和Pp-Cu2O/Cur(+)组相比，Pp-CSC(+)组骨再生显著改善，证实了壳中壳结构的关键作用并强调了内层持续释放Sr的成骨益处。
原位应用钙黄绿素和茜素红进行序贯荧光标记以量化新骨形成速率。Pp-CSC（US+）显示绿色和红色荧光沉积线之间差距最大。与其他组相比，矿物沉积速率（MAR）量化显示Pp-CSC（US+）组骨沉积更快。
植入后第4和第8周，对未脱钙的支架-骨组织进行H&E、甲苯胺蓝和Goldner三色染色。定量评估显示这些组中Pp-CSC（US+）组新骨组织量最大。染色结果表明新骨主要形成于支架周围并逐渐渗透到多孔支架内部。
使用酪胺信号放大（TSA）对VEGF、BMP-2和OCN进行免疫荧光，评估缺损部位的骨和血管长入。如图显示，与其他组相比，Pp-CSC（US+）组OCN、VEGF和BMP-2显著上调，表明骨生成和血管化增强，证明其促进骨形成的优异能力。
此外，支架周围组织的抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）染色显示Pp-CSC（US+）组中性粒细胞最少，进一步证实了Sr有效抑制破骨细胞形成。免疫组化分析显示肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素1β（IL-1β）和白细胞介素6（IL-6）表达显著降低，表明有效清除细菌并减弱炎症反应，促进体内骨愈合。
常规血液测试和H&E染色（心、肝、脾、肺、肾）显示Pp-CSCs的良好指标，证实其令人满意的生物安全性和最小的系统毒性。通过红外温度计监测超声暴露前后的皮肤温度变化，变化不足以造成任何损伤。
这项研究展示了一种新型超声响应草本生物异质结（HB-bioHJ）涂层，采用巧妙设计的壳中壳结构，能够协调抗菌活性、免疫调节和成骨作用的时空序列。这种多功能治疗模式通过全面的物理化学分析、深入的机制研究和严格的体内评估得到证实。
该研究的创新性在于将声动力治疗与金属离子介导的代谢治疗相结合，通过超声激活的异质结不仅增强局部ROS生成，还通过精确的金属离子调节实现持续的细胞内破坏，有效克服了SDT单药治疗的固有局限性。更重要的是，该平台在杀菌后继续发挥治疗功能，通过自催化调节产生抗氧化和抗炎活性，促进巨噬细胞向M2表型极化，并通过Sr释放协同促进骨再生。
这种时序性治疗模式通过不仅根除细菌，而且协调组织微环境向再生方向发展，解决了治疗植入物相关感染的关键挑战。鉴于其模块化设计、刺激响应性和多种治疗途径，HB-bioHJ平台在骨科和牙科植入物的更广泛临床应用中具有强大潜力，代表了生物材料逐步发展的突破。
然而，尽管取得了这些令人鼓舞的结果，仍存在一些局限性和挑战需要解决。首先，虽然涂层在小动物模型中表现出优异的抗菌和成骨功效，但其长期安全性和在大型动物模型中的功能性能仍需彻底研究。其次，虽然当前研究专注于PEKK支架，但在其他临床相关基底（如钛合金或陶瓷）上的粘附性、机械相容性和耐久性需要进一步全面评估。第三，超声激活参数可能需要针对不同解剖部位进行优化，特别是对于深部组织植入物，必须严格控制声衰减和安全阈值。
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