在植入物表面同时实现细菌杀灭和成骨形成的情况还非常少见。在本研究中，香港大学Kelvin W.K. Yeung教授、南方医科大学彭峰副研究员和中科院上海硅酸盐研究所刘宣勇研究员等人介绍了一种新的表面设计——氢化钯（PdHx）膜，使这两种不同的特征能够共存。PdHx晶格捕获细菌细胞外微环境中的质子，破坏它们的正常代谢活动，如ATP合成、营养共转运和氧化应激。此外，PdHx独特的酶活性和载氢特性激活了人体抗氧化系统，导致活性氧（ROS）的快速清除。这一过程重塑了成骨免疫微环境，促进了成骨加速作用。该研究结果还表明，NOD样受体信号通路的下调对于激活免疫细胞走向M2表型极化至关重要。这种新颖的表面设计为修饰植入物涂层提供了新的策略，以同时防止细菌感染、减少炎症和增强组织再生。相关工作以“RNA序列分析证明，这种破坏会导致显著的细菌死亡。”为题发表在Advanced Materials。

【文章要点】

许多研究已经发现，钯（Pd）原子可以很容易地与氢原子结合，使Pd纳米晶体在室温下储存质子（形成PdHx）并通过其晶格释放H2。为了维持质子浓度梯度，细菌需要将细胞内质子转移到细胞外空间。因此，作者提出，Pd原子的5s电子层可以用来共轭质子，将它们吸引到PdHx晶格中，并在细菌膜外的微环境中有效地消耗它们。这个过程会破坏细菌的呼吸，最终导致细菌死亡。同时，纳米构造的PdHx具有类似于天然酶的多种抗氧化酶活性。最近的研究表明，由于其特殊的跨膜能力，氢（H2）可以充当特洛伊木马，有效渗透细菌生物膜。随后，H2通过调节三磷酸腺苷（ATP）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）显著阻碍细菌代谢。此外，PdHx释放的H2作为内源性气体和抗氧化剂发挥重要的生理和病理调节功能，对各种疾病具有显著的治疗作用，如动脉粥样硬化、阿尔茨海默病、关节炎、皮炎、结肠炎、肝炎和胰腺炎。因此，作者认为PdHx独特的酶活性和载氢特性有效地发挥了基于生物材料的抗氧化系统的作用，导致ROS的快速清除，并促进巨噬细胞向抗炎M2型的转化（图1）。

图1 PdHx的抗菌及成骨机制示意图

为此，作者通过在室温下在H2气流下采用离子溅射和浸渍处理来进行定制PdHx膜改性钛（Ti）植入物（图2）。作者使用转录组测序和细胞内分子测定法检测了PdHX膜对细菌、巨噬细胞和骨相关细胞的生物学效应。分析显示，氧化和还原相关活性增加，而ATP相关和营养运输活性受到抑制，这表明氧化损伤、能量产生功能障碍和营养缺乏是pHx膜的主要抗菌机制。此外，PdHX膜可以通过酶催化和氢释放在细胞外和细胞内调节ROS，从而重塑成骨免疫微环境，增强成骨能力。BMDMs的转录组序列分析表明，NOD样受体信号通路的下调在激活免疫细胞进行M2表型极化从而促进骨组织修复中起着至关重要的作用。

图2 免疫调节性成骨评价

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202404485