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摘要细菌感染是骨科术后具有破坏性的一种并发症。持续的感染会导致愈合延迟、不愈合骨折及移植失败。由于良好的生物相容性和力学性能，钛（Ti）及其合金是目前临床广泛应用的骨科替代材料。然而，钛基材料本身缺乏抗菌性，植入体内后容易发生细菌感染，甚至形成生物膜，导致手术失败。因此，研发新型钛基植入材料并赋予其抗菌性能具有重要意义。<br>　　光热治疗（PTT）是一种利用光热剂在近红外（NIR）光照射下产生局部高温的物理治疗技术。通过非侵入性的NIR光照射，经光热剂转换产生的热能可以破坏细菌菌膜的完整性。因此，细菌难以像对待抗生素一样对PTT产生抗性。由于其无创性、高可控性和精确性，PTT已经成为当前抗菌领域的研究热点。但是，单独的PTT方法存在光散射和光吸收效应，大大降低了光热转换效率，从而无法有效地清除细菌和抑制生物膜形成。此外，骨组织感染的微环境往往活性氧（ROS）水平过高，容易造成功能性细胞（骨髓间充质干细胞和巨噬细胞）遭受氧化应激损伤。因此，针对植入物细菌感染问题，赋予钛基植入材料优异的抗菌性能，同时降低感染微环境的过高ROS水平，进而调控免疫细胞功能，对于设计和开发新型植入体有重要的现实意义。<br>　　基于此，本论文利用多种方法制备了具有优异光热性能的多功能纳米颗粒，并通过聚多巴胺（PDA）分子固定以及水凝胶涂层装载，将光热纳米颗粒修饰到钛材表面。同时整合其它抗菌、抗氧化及抗炎等功能活性原件，基于PTT联合疗法构建钛基植入体抗菌/促成骨复合体系。通过体外细菌/细胞实验和体内Sprague Dawley（SD）大鼠股骨感染模型评价改性钛材的生物学功能，并探究其在骨科术后感染条件下的应用潜能。主要研究内容如下：<br>　　（1）钛材表面光热协同微纳拓扑结构涂层的构建及抗菌和促成骨研究<br>　　微纳拓扑结构对细菌具有直接的杀伤作用，介孔聚多巴胺纳米颗粒（MPDA NPs）具有优异的光热性能和生物相容性。基于此，本章利用简单的双酸腐蚀和水热处理技术在钛材表面制备了纳米花状拓扑结构。然后，利用模板法制备了MPDA NPs。最后，通过PDA分子将MPDA NPs固定到纳米花状结构修饰的钛材表面，构建了一种具有光热功能的拓扑结构化钛材（Ti-M-N-MPDA）。体外抗菌实验结果表明，当材料表面发生细菌粘附时，纳米花状结构会对细菌产生物理穿刺作用，造成菌膜破坏。同时，基于MPDA NPs优异的光热性能，增强细菌敏感性。经过10min NIR照射后，改性钛材的抗菌率达到96.63%。体外细胞实验结果表明，得益于MPDA NPs良好的生物相容性，Ti-M-N-MPDA促进了MSCs的增殖、成骨分化以及相关成骨基因的表达。最后，SD大鼠股骨感染模型实验结果表明，Ti-M-N-MPDA在体内仍然具有优异的光热性能，能够有效治疗细菌感染，促进植入物周围新骨形成。<br>　　（2）钛材表面光热纳米复合水凝胶涂层的构建及抗菌/抗氧化/促成骨研究<br>　　细菌感染条件下，持续的炎症容易造成局部ROS水平的升高和氧化应激，对后续骨整合造成不利的影响。基于此，本章通过在钛植入体表面构建生物相容性水凝胶涂层并装载光热复合纳米颗粒，实现光热/离子协同抗菌以及感染微环境ROS水平调节，最终促进骨组织修复。首先，通过一步还原法和胶束法分别合成Bi NPs和CeO2NPs。进一步，通过一步自组装法合成ZIF-90-Bi-CeO2NPs。进而，将ZIF-90-Bi-CeO2NPs掺入到醛基化透明质酸（HA-CHO）和明胶经席夫碱交联形成的水凝胶中。最后，通过PDA将水凝胶涂层固定到钛材表面，得到Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2。Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2体系具有多重抗菌作用：1）在细菌粘附的初始阶段，高亲水性的水凝胶涂层能够在一定程度降低细菌粘附；2)Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2的光热效应能够有效地引起菌膜破裂，增加菌膜通透性；3）细菌感染的酸性微环境和PTT产生的局部高温可以加速Zn2+和CeO2NPs的释放，透过菌膜，扰乱细菌胞内代谢，加速细菌的死亡。同时，体外细胞实验结果表明，水凝胶涂层中CeO2NPs的类酶活性能够有效清除感染部位过量的ROS，减轻氧化应激损伤，对MSCs具有一定的保护能力。最后，体内植入物感染模型实验结果证实，Ti-HG-ZIF-90-Bi-CeO2具有光热/离子协同杀菌、缓解炎症水平和促进新骨生成能力。<br>　　（3）钛材表面具有巨噬细胞调节功能水凝胶涂层的构建及抗菌和促成骨研究<br>　　细菌感染条件下，过度的炎症反应容易造成免疫细胞的功能紊乱，不利于骨整合。基于此，本章利用超声自组装法将单宁酸（TA）和D-酪氨酸（D-Tyr）通过π-π堆积和分子间氢键作用制备了TA-D-Tyr NPs。进而，将TA-D-Tyr NPs掺入到席夫碱交联的醛基化魔芋胶（GM-CHO）和明胶组成的水凝胶中。最后，利用PDA将水凝胶粘附到钛材表面，得到Ti-G-TA-D-Tyr。Ti-G-TA-D-Tyr体系具有以下的抗菌作用：1）高亲水性水凝胶涂层抑制了细菌初始粘附和生物膜的形成；2）TA-D-Tyr NPs的NIR光热效应增加了细菌的敏感性；3）酸性感染微环境触发了TA-D-Tyr NPs质子化，实现TA和D-Tyr的可控释放。D-Tyr具有抑制生物膜作用，TA通过接触和破坏细菌菌膜，加速细菌死亡。体外细胞实验结果表明，Ti-G-TA-D-Tyr样品能够清除感染部位过量ROS，对MSCs和Raw264.7具有一定的保护能力，同时能调节巨噬细胞从M1向M2表型转换。碱性磷酸酶活性、成骨相关基因表达实验结果表明，Ti-G-TA-D-Tyr制备的Raw264.7的条件培养基对MSCs具有成骨诱导能力。最后，体内植入物感染模型实验结果证实，Ti-G-TA-D-Tyr具有优异的杀菌、减轻炎症反应、调控巨噬细胞M2极化和促进骨修复能力。