四川大学邓怡团队《ACS AMI》:为医用特种高分子寻“醚”新功能——具有抗癌抑菌双功能的聚醚醚酮植入材料

骨肉瘤是一种常见的恶性肿,往往发生于青少年身上,其发病率估计在未来几十年内还会越来越高。外科切除术是治疗骨肉瘤的“金方法”,但难以完全切除的癌细胞容易复发,并且术后留下的大面积骨缺损难以通过自身修复机制来修复,这就需要植入骨植入材料来填充或者诱导骨再生。特种高分子聚醚醚酮(PEEK)因力学性能与人皮质骨相似的优势,以成为骨植入材料的热门人选。然而,PEEK自身固有的生物惰性严重限制了其在临床上更宽广的应用。传统PEEK的研究主要集中与如何提高其骨整合和抗菌性能,还没有研究报道PEEK材料在抑制肿瘤方面的实例。因此,如何赋予PEEK抗癌特性,并防治术后感染是拓宽PEEK材料在骨肿瘤应用领域的关键。

为了解决这一难题,四川大学化学工程学院邓怡团队在前期医用特种PEEK基高分子及表面生物功能化研究的工作基础上,开发了一种具有抗癌抑菌双功能的聚醚醚酮植入体(图1):通过聚多巴胺—钛金属元素的金属配位络合作用将新型二维材料MXene修饰在多孔磺化聚醚醚酮(SP)表面,随后借助迈克尔加成和席夫碱反应将GelMA水凝胶固定到材料表面,提高材料整体生物活性。MXene不仅能负载抗菌药物妥布霉素(Tobramycin),还能与聚多巴胺协同共振产生更强的光热效应(PTT),用于杀死癌症细胞。实验结果表明,在PBS溶液环境中,修饰后的PEEK植入体能快速升温到55℃左右,通过10分钟照射可对残留骨肿瘤细胞进行高效杀灭,表现出良好的抗癌作用(图2)。

四川大学邓怡团队《ACS AMI》:为医用特种高分子寻“醚”新功能——具有抗癌抑菌双功能的聚醚醚酮植入材料

图1. 具有抗癌抑菌双功能的聚醚醚酮植入体功能示意图

Copyright © 2020 American Chemical Society 

四川大学邓怡团队《ACS AMI》:为医用特种高分子寻“醚”新功能——具有抗癌抑菌双功能的聚醚醚酮植入材料

图2. 抑制骨肿瘤细胞能评价

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除了能达到杀死残留骨肉瘤细胞的目的外,负载在植入体表面的抗生素妥布霉素由于光热降解GelMA水凝胶而释放出来,达到术后杀菌的作用。此外,体内体外实验均证实,该植入体表面还能促进骨细胞增殖,促进碱性磷酸酶分泌、钙结节生成,最终实现骨肿瘤切除术后的骨整合和骨再生。该MXene基水凝胶涂层赋予了惰性PEEK植入体优异的抗癌/抑菌/成骨多重生物特性,大大拓展了PEEK材料在骨肿瘤治疗中的临床应用范围

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图3. 细胞相容性及成骨性能评价

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以上相关成果以“MXene-BasedHydrogels Endow Polyetheretherketone with Effective Osteogenicity and CombinedTreatment of Osteosarcoma and Bacterial Infection”为题近期在线发表于ACS Appiled Materials & Interfaces (doi.org/10.1021/acsami.0c14752)。四川大学化工学院研究生殷捷为该论文第一作者,四川大学化工学院邓怡副研究和四川大学华西口腔医学院谢璐博士为通讯作者。本研究工作得到国家自然科学基金(81801848, 81961160736)、四川省科技厅科研项目(2017FZ0046,2018JZ0026, 2019YJ0141)、中科协青年人才托举工程计划、成都市国际合作项目(2017-GH02-00025-HZ,2020-GH03-00005-HZ)、川大高分子材料工程国家重点实验室自主课题(sklpme2019-2-05)、川大青年科技学术带头人培育项目等的资助。

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