南京工业大学《AHM》| 基于协同调控的Cu²⁺-肽超分子水凝胶-PCL支架,用于感染性骨缺损的协同抗菌活性与成骨再生

感染性骨缺损是临床骨科的一大难题，这类损伤多由严重创伤、开放性骨折或外科手术引发，患处会持续滋生细菌并形成生物膜，同时伴随活性氧过量堆积、炎症反应加剧、骨再生能力下降等问题。目前临床主要采用手术清创联合全身抗生素的治疗方案，但耐药菌株不断出现，抗生素难以穿透成熟生物膜，还存在全身毒副作用，且常规植入材料大多不具备促成骨活性，整体治疗效果有限。肽基水凝胶生物相容性优异、结构可设计，但力学强度偏弱；3D 打印聚己内酯（PCL）支架机械性能稳定、可调控降解速率，却缺乏抗菌与成骨功能。铜离子作为人体必需微量元素，兼具广谱抗菌、破坏生物膜、抗氧化以及促成骨的多重作用，不过单纯负载铜离子的材料常出现药物突释、结构不稳定等问题。针对以上痛点，南京工业大学朱颐申、吴一伦团队利用配位作用构建铜离子-肽超分子水凝胶，并将其复合到 3D 打印 PCL 支架中，制备一体化多功能修复支架，同步实现抗菌、抗氧化、抗炎与骨再生，为感染性骨缺损提供新的修复材料。相关成果以“Coordination-Driven Cu2+-Peptide Supramolecular Hydrogel-PCL Scaffold for Synergistic Antibacterial Activity  and Osteogenic Regeneration in Infectious Bone Defects”为题发表在《Advanced Healthcare Materials》期刊上。

研究选用 FE3 多肽与铜离子进行配位组装，通过优化多肽与铜离子的摩尔比例，确定最优配方制备铜离子肽基超分子水凝胶（CPSH），再将水凝胶浸润包覆于 3D 打印 PCL 支架表面及孔隙内部，得到复合支架 CPSH@PCL。一系列表征结果证实，铜离子与多肽羧基形成桥联 / 双齿配位键，结合分子间 π-π 堆积、疏水作用共同构筑稳定的纳米纤维网络；复合后 PCL 支架表面亲水性显著提升，水凝胶在生理环境与感染区弱酸性环境下均可实现铜离子平稳缓释，不会出现明显突释。质谱、圆二色谱、红外光谱及分子动力学模拟等结果，进一步验证了配位组装的分子机制与体系结构稳定性。

图1 铜离子-肽（FE3）超分子水凝胶（CPSH）与3D打印聚己内酯支架（CPSH@PCL）集成的结构示意图，用于治疗感染性颅骨缺损，并阐明其发挥强效抗菌活性和促进成骨再生的内在机制

图2 铜离子-肽超分子水凝胶（CPSH）与CPSH集成聚己内酯（PCL）支架（CPSH@PCL）的形态学特征及分子相互作用

体外抗菌实验以耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌两种典型致病菌为研究对象，结果显示 CPSH@PCL 对两种细菌的杀菌率均超过 99%，不仅能够有效抑制细菌初始粘附与生物膜形成，还可以破坏已成熟的生物膜，抗菌与抗生物膜效果十分突出。该体系的抗菌活性主要来源于缓释铜离子对细菌细胞膜、代谢通路的干扰，而亲水的凝胶表面也进一步减少了细菌附着。同时，CPSH@PCL 具备类酶活性，可直接分解活性氧、催化产氧，还能上调 SIRT1-SOD2-CAT 通路相关基因表达，从直接清除与内源调控两条途径缓解氧化应激，改善损伤微环境。

图3 铜肽超分子水凝胶（CPSH）对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和铜绿假单胞菌的抗菌及抗生物膜性能

生物相容性检测结果表明，CPSH@PCL 浸提液溶血率低于安全标准，对骨髓间充质干细胞、成骨细胞均无明显细胞毒性，还可以显著提升两种细胞的迁移与增殖能力，为骨修复奠定良好的细胞基础。体外成骨相关实验显示，该复合支架能够明显提升碱性磷酸酶活性与细胞矿化能力，上调 RUNX2、ALP、OCN 等一系列成骨标志基因；机制研究发现，铜离子可激活 HIF-1α 信号通路，调控糖酵解相关基因表达，重塑细胞代谢模式，为成骨分化提供充足能量与物质原料，进一步强化促成骨效果。

图4 铜肽超分子水凝胶负载PCL复合支架（CPSH@PCL）的抗氧化性能及其作用机制

图5 铜肽超分子水凝胶负载PCL复合支架（CPSH@PCL）的生物相容性及细胞反应

研究构建大鼠颅骨感染性骨缺损模型开展体内疗效验证，植入 CPSH@PCL 支架 4 周后，缺损区域细菌载量大幅下降，局部炎症细胞浸润明显减少。Micro-CT、组织染色与免疫组化结果证明，实验组骨密度、骨体积分数、骨小梁数量显著优于对照组，新生骨组织含量高、胶原排列规整，成骨标志物表达水平明显提升，证实该支架在体内可有效清除感染、抑制炎症，并高效促进骨组织新生与成熟。

图6 感染性骨缺损再生的体内评估

本研究制备出铜离子配位肽基水凝胶复合 3D 打印 PCL 支架，该材料可平稳缓释铜离子，兼具强效抗菌、抗生物膜、抗氧化能力，并通过激活 HIF-1α 糖酵解通路促进干细胞成骨分化，在动物感染性骨缺损模型中实现感染清除与骨组织同步修复，是一种极具应用潜力的多功能骨修复材料。