近红外光触发的MXene-ZnO异质结可实现具有成骨、抗菌和抗肿瘤特性的3D打印Ti-6Al-4V植入物

《Applied Materials Today》：Near-infrared-triggered MXene-ZnO heterojunctions enable osteogenic, antibacterial, and antitumor 3D-printed Ti-6Al-4V implants

本研究开发了一种近红外响应的异质结植入平台，通过聚多巴胺包覆MXene-ZnO纳米复合材料修饰微纳米结构钛合金表面，在近红外照射下实现高效光热转换，增强细胞粘附增殖及成骨分化，同时抑制细菌和肿瘤细胞。体外实验显示促进间充质干细胞向成骨细胞分化，激活MAPK、PI3K/Akt和Wnt通路，并产生氧化应激。体内实验证实其治疗可行性。该平台为骨肉瘤术后再生提供了综合解决方案，增强了钛植入物的骨整合、抗菌和抗肿瘤性能。

　　

纪振兵|万毅|王宏伟|梁西昌

高效清洁制造关键实验室，机械工程学院，国家实验机械工程教育示范中心，金属成形先进装备与技术国家重点实验室，山东大学，济南250061，中国

摘要

骨肉瘤切除术后常伴有广泛的骨缺损、细菌感染和肿瘤复发，这对患者的康复构成了重大障碍。尽管3D打印的多孔Ti-6Al-4V植入物具有良好的机械性能和生物相容性，但其临床效果受到骨整合不足以及缺乏抗菌和抗肿瘤功能的限制。为克服这些限制，我们通过在微/纳米结构的Ti-6Al-4V表面构建聚多巴胺涂层的MXene-ZnO复合纳米颗粒（采用流动酸蚀刻和阳极氧化技术制备），开发了一种近红外（NIR）响应的异质结植入物平台。在NIR照射下，该平台表现出高效的光热转换能力，使温度从26°C升高到43°C，并增强了润湿性、耐腐蚀性和纳米颗粒的稳定性。该平台还通过微纳米结构、MXene-ZnO复合材料、光热疗法和光动力机制的协同作用，赋予了促骨生成、抗菌和抗肿瘤的特性。体外研究表明，该植入物能够促进间充质干细胞的粘附、增殖和骨生成分化，激活MAPK、PI3K/Akt和Wnt信号通路，并使代谢向氧化磷酸化方向转变；同时，增强的氧化应激作用有助于抗菌和抗肿瘤效果。体内结果进一步证实了这一策略的治疗可行性。综上所述，该平台为骨肉瘤术后再生创造了有利的环境，提升了钛植入物的抗肿瘤、抗菌和骨整合性能。

引言

骨肉瘤是一种主要影响儿童和青少年的恶性骨肿瘤[1]。尽管采用手术切除结合放疗和化疗的多模式治疗，临床试验报告的复发率仍超过17.6%[2]，这主要是由于切除部位周围组织的损伤和残留肿瘤细胞所致。大范围的手术切除还会产生难以自行修复的骨缺损。因此，植入已成为恢复机械完整性的常用临床策略；然而，大的手术伤口和植入物表面极易被细菌定植，生物膜的形成可能使感染对常规治疗产生抗性，最终导致植入物失败[3]。鉴于骨肉瘤主要发生在股骨和胫骨等承重骨上[4]，理想的修复植入物必须同时具备优异的机械性能、良好的骨整合性、抗菌活性和抗肿瘤功能。

在植入材料中，3D打印的多孔Ti-6Al-4V因其良好的机械强度、耐腐蚀性和生物相容性而越来越受到重视[5]。增材制造技术能够制备出互连的多孔结构，有利于营养物质和氧气的传输；然而，Ti-6Al-4V本身缺乏内在的抗菌和抗肿瘤活性，且骨生成性能有限。Dondossola等人指出，细胞和组织在植入后首先与植入物表面相互作用，表明表面修饰可以显著影响治疗效果[6]。研究表明，模拟天然骨结构的微纳米层次结构可以促进骨生成[7]。临床上，喷砂结合酸蚀刻可以产生微米级粗糙度以改善骨-植入物接触，但这种不规则的表面可能限制细胞信号传导[8]。在微米级基底上叠加纳米级特征可以产生协同效应，其中阳极氧化技术尤为有前景：它能够生成有序的TiO₂纳米管阵列，增加比表面积并提供药物装载位点[9]。然而，TiO₂的抗菌光催化活性依赖于紫外线（UV）照射，而紫外线的组织穿透能力有限且可能存在光毒性，这限制了其在精准体内治疗中的应用[10]。

与UV照射相比，近红外（NIR）光在骨肉瘤治疗中具有更大的潜力，因为它具有更深的组织穿透能力、较低的侵入性和精确的时空可控性[11]。基于NIR的方法包括光热疗法（PTT）和光动力疗法（PDT）。在NIR照射下，光热剂将光能转化为局部热量，从而杀死附近的肿瘤细胞和细菌；光敏剂将能量传递给分子氧，生成活性氧（ROS），诱导氧化损伤和细胞死亡。PTT和PDT的结合可以产生协同的抗肿瘤和抗菌效果。然而，过高的温度或ROS可能会通过诱导成骨细胞凋亡和胶原蛋白降解而损害周围骨组织，而适度的热疗和ROS已被证明可以增强成骨细胞代谢[12,13]。传统的光敏剂受到爆发性释放、温度控制不佳和细胞相容性差的限制，从而降低了安全性和有效性；因此，优化治疗参数和选择合适的光敏转换材料对于将热效应和ROS效应控制在生理安全范围内至关重要。

在光热材料中，MXenes和聚多巴胺（PDA）受到了越来越多的关注。MXenes是一类二维过渡金属碳化物或氮化物（M_n+1X_nT_x），具有独特的物理化学性质，其中Ti₃C₂T_x具有多层结构、高NIR光热转换效率和优异的生物相容性，优于早期的石墨烯和碳纳米管[14]。值得注意的是，Ti₃C₂T_x MXene在促进骨组织再生方面显示出巨大潜力。Fu等人报告称，将MXene掺入羟基磷灰石涂层中，显著增强了大鼠颅骨缺损处的成骨细胞分化和新骨形成[15]。PDA也表现出强烈的光热响应性，已广泛应用于NIR触发疗法，例如PDA-铁烯涂层在NIR照射下对钛植入物同时具有促骨生成和抗菌效果[16]。然而，大多数基于MXene和PDA的涂层都是在致密基底上制备的，限制了其在个性化多孔植入物中的应用。此外，传统的PDA先制备策略在涂层形成过程中会消耗儿茶酚基团，降低后续的负载能力，并在光热刺激下导致快速释放[17]。因此，这类涂层的促骨生成、抗菌和抗肿瘤性能仍有待进一步改进和优化。

氧化锌（ZnO）作为一种二元金属氧化物，因其促骨生成、抗菌和抗肿瘤特性而受到广泛关注。在降解过程中，ZnO向周围环境中释放Zn²⁺，表现出广谱抗菌活性，有效杀灭附近细菌[18]。此外，Wang等人指出，锌是细胞发育、DNA合成、酶活性和生物矿化所必需的微量元素[19]。在微酸性的肿瘤微环境中，ZnO的降解还可以诱导ROS生成和抗肿瘤效果[20]。然而，ZnO的治疗窗口较窄，因为过量或快速的Zn²⁺释放可能会对周围组织产生细胞毒性[21]。因此，精确控制ZnO的释放方法和动力学对于平衡治疗效果和生物相容性至关重要。

在先前的研究中，PDA和MXene主要作为光热剂使用，而ZnO主要用于抗菌目的[22],[23],[24]。相比之下，在本研究中，这三个组分发挥了超出传统应用的多功能性和协同作用。ZnO纳米颗粒通过共价键固定在MXene纳米片上，不仅提供了结构支持，还形成了MXene-ZnO异质结。在808 nm照射下，MXene作为高效的光热和光电子供体，通过局部表面等离子体共振和非辐射弛豫产生热电子，这些热电子可以穿过异质结界面传递到ZnO的导带，从而抑制电子-空穴复合并增强NIR响应的光催化活性[25]。此外，PDA包裹了复合纳米颗粒，保护它们在生理环境中的降解和损伤，从而延长了涂层的稳定性和使用寿命。基于这些考虑，开发了一种NIR响应的治疗表面。通过将ZnO整合到MXene的多层结构中，合成了MXene-ZnO复合纳米颗粒。ZnO不仅为片状的MXene提供了结构支持，还与其形成了异质结，从而提高了光热转换效率。随后，通过儿茶酚介导的相互作用将PDA包裹在这些复合纳米颗粒上，构建了核壳纳米结构，并将其固定在植入物表面。具体来说，首先通过蚀刻工艺制备了Ti₃C₂T_x MXene纳米颗粒，然后进行羟基化以丰富表面功能基团。接着用氨基修饰ZnO纳米颗粒，并使用戊二醛将这两种类型的纳米颗粒交联，得到MXene-ZnO复合材料。3D打印的多孔Ti-6Al-4V植入物经过流动酸蚀刻和阳极氧化预处理，随后通过水热沉积PDA包裹的纳米颗粒以实现均匀的表面固定。系统地表征了纳米颗粒和改性植入物的物理化学性质，并对其体外和体内的促骨生成、抗菌和抗肿瘤性能进行了评估。此外，还分析了间充质干细胞（MSC）骨生成分化所涉及的潜在机制、信号通路和代谢重编程，以阐明所设计表面的生物学效应。

材料

球形Ti-6Al-4V粉末购自3D Systems公司（美国南卡罗来纳州）。罗丹明标记的鬼笔环肽、DAPI、LB固体和液体培养基以及BCA蛋白试剂盒购自Solarbio公司（北京）。细胞计数试剂盒-8（CCK-8）购自Biosharp公司（北京）。细胞/细菌活死染色试剂盒、ROS检测试剂盒、茜素红S染色试剂盒、超氧化物歧化酶（SOD）试剂盒、丙二醛（MDA）试剂盒等均购自相关公司。

样品表征

首先，通过戊二醛介导的交联方法合成了MXene-ZnO纳米颗粒。通过SEM和FTIR光谱对MXene-ZnO纳米复合材料进行了结构表征。SEM显示，Ti₃AlC₂的选择性蚀刻形成了多层MXene纳米片，ZnO纳米颗粒锚定在层状结构中（图S1-S2）。FTIR光谱显示出MXene的特征振动（图S3）：Ti-C键在857.92 cm^-1处的伸缩，证实了核心框架的完整性。

讨论

骨肉瘤切除术后会留下广泛的骨缺损和残留肿瘤组织，导致高复发风险；同时，植入物容易发生细菌感染和生物膜引起的炎症。因此，钛植入物的有效骨整合至关重要。为应对这些挑战，我们开发了一种NIR光响应的异质结表面。羟基化和胺化的MXene与ZnO通过戊二醛交联，并与聚多巴胺结合形成核壳结构。

结论

本研究开发了一种NIR响应的3D打印多孔Ti-6Al-4V植入物，展现了多功能的治疗能力。经过MXene和聚多巴胺改性的植入物表面在NIR照射（808 nm）下通过电子-声子散射表现出高效的光热转换效果。此外，ZnO纳米颗粒与微纳米复合结构的结合进一步增强了表面的物理化学性质，形成了协同的异质结治疗效应。

CRediT作者贡献声明

纪振兵：撰写——原始草稿、可视化、方法学、概念化。万毅：验证、监督、项目管理、资金获取。王宏伟：撰写——审稿与编辑。梁西昌：撰写——审稿与编辑。