临界骨缺损的修复是困扰临床的国际性医学难题。在我国，每年有超过600万人罹患骨缺损或功能障碍疾病，其中约有2/3患者需要进行植骨治疗。预计到2050年，用于骨缺损治疗和护理费用将高达6200亿元。骨移植是治疗骨缺损的主要方法，然而，骨植入体相关感染是医疗保健领域中一项严峻的挑战。由于感染性细菌在生物膜中聚集并附着于器械表面或定植于植入物的周围组织，微生物能耐受抗生素并逃避宿主防御系统。因此，开发兼具优异界面骨整合、抗感染性和成骨活性的骨植入物具有重要意义。
为了解决骨植入体感染问题，我院张先增教授团队基于前期对压电声敏剂的超声-压电调控机理的工作（Advanced Functional Materials, 2023, 33: 2210726），进一步提出了一种超声激发的压电智能纳米反应器。该纳米反应器通过超声触发的时空串联催化，成功提升了声动力疗法和化学动力疗法对骨植入物细菌感染的治疗效果。该纳米反应器利用高性能压电钛酸钡、聚多巴胺和铜离子的巧妙配合，使超声激活的压电热载流子经聚多巴胺“电子通道”转移到铜上。这不仅促进了压电声动力活性氧物质的生成，还调节了Cu2+和Cu+之间的价态转换，从而触发Cu+催化的类芬顿反应，促进羟基自由基的生成，导致细菌膜结构松弛和DNA损伤。将该纳米反应器负载在3D打印聚醚酮酮骨植入支架表面，在医用超声作用下表现出优异的抗菌性能，同时在体内促进了植入体周围血管生成和骨生成，展现出了极佳的临床应用潜力。同时，转录组学和代谢组学揭示细菌细胞内铜过载限制三羧酸循环，促使细菌表现出类铜死亡的效果。该策略有望为植入物提供超声可调控的抗菌和促骨能力，为治疗植入体感染提供一种新思路。
该研究成果以“Ultrasound-activated piezo-hot carriers trigger tandem catalysis coordinating cuproptosis-like bacterial death against implant infections”为题发表在顶级学术期刊《Nature Communications》上。福建师范大学是该论文的第一单位。我院黄艳莉博士为论文的第一作者，张先增教授、四川大学华西医院周宗科主任和王端博士为论文的共同通讯作者，吴天敏教授承担了本论文的理论计算工作。该研究得到国家自然科学基金和福建省自然科学基金的支持。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45619-y
