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針對上述問題，復(fù)旦大學(xué)祁勝財教授等人提出一種基于柔性壓電薄膜和導(dǎo)電聚合物網(wǎng)絡(luò)的仿生導(dǎo)電集成種植體周圍牙齦（PiG），具有抗菌和軟組織整合功能。PiG的壓電性通過聚偏二氟乙烯/BaTiO?/MXene在聚多巴胺改性的等離子體活化Ti表面上的靜電紡絲實現(xiàn)，導(dǎo)電性能通過3,4-乙烯二氧噻吩單體的原位聚合實現(xiàn)。超聲照射下，PiG可促進中性粒細(xì)胞胞外陷阱和活性氧的形成，實現(xiàn)對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的協(xié)同高效壓電殺傷（圖1）。此外，壓電電刺激使PiG具有增強的成纖維細(xì)胞粘附、增殖和膠原蛋白分泌（圖2）。在大鼠皮下植入模型中，超聲照射的PiG移植物可有效消除金黃色葡萄球菌感染，并通過增加軟組織整合來挽救植入物（圖3）。相關(guān)成果以《An Artificial Piezoelectric-Conductive Integrated Peri-Implant Gingiva Enables Efficient Bacterial Inhibition and Soft-Tissue Integration》為題于2025年4月24日發(fā)表在《Advanced Fiber Materials》。（DOI：10.1007/s42765-025-00543-8）

研究示意圖

（1）PiG的制造和表征

制備鈦基底上壓-導(dǎo)電集成PiG的過程：先用砂紙和等離子體處理Ti基底，使其表面粗糙且活化；再將等離子體活化的Ti浸入多巴胺溶液24小時，實現(xiàn)聚多巴胺改性；最后通過靜電紡絲工藝，使用聚偏二氟乙烯/MXene/BaTiO?混合物在鈦基底上形成壓電層，再對3,4-乙烯二氧噻吩單體進行原位聚合，得到聚（3,4-乙烯二氧噻吩）導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，將導(dǎo)電的PEDOT改性的PVDF/MXene/BaTiO?壓電層命名為Ppa-Ti/PMBP。掃描電子顯微鏡圖像顯示，等離子體活化的Ti表面粗糙有微納米溝槽（圖1b（ii）），靜電紡絲后MXene納米片和BTO納米顆粒成功整合到PVDF纖維網(wǎng)絡(luò)中（圖1b（iv）），PEDOT原位自聚后PMB壓電層表面形態(tài)基本不變，PEDOT導(dǎo)電層覆蓋在PVDF纖維表面（圖1b（iv）），且PiG復(fù)合材料的EDS映射圖像顯示C、N、O、Ti、F、S和Ba在PVDF基體中分布均勻（圖1c）。XRD分析顯示Ppa-Ti/PMBP與Ppa-Ti/PMB的衍射峰非常一致，表明PEDOT層沉積不影響PVDF分子鏈、MXene納米片或BTO納米顆粒的晶體結(jié)構(gòu)（圖1d）。XPS巡天光譜顯示Ppa-Ti/PMBP中存在硫，證實了PEDOT的成功合成（圖1e）。PEDOT引入使PiG親水性提高，有利于細(xì)胞粘附和遷移（圖1f）。粘附力拉斷測試顯示等離子體活化和PDA聚合顯著增強了PiG與Ti基材之間的粘附力（圖1g），主要因Ti襯底、PDA分子和PMBP層間形成眾多氫鍵。

圖1 壓電-導(dǎo)電集成PiG的制備和表征。（a）Ti襯底上制備PiG過程的示意圖。（b）原始Ti、pa-Ti、Ppa-Ti、Ppa - Ti/PBM和Ppa-Ti/PBMP表面形貌的SEM圖像，比例尺：（i）和（ii）10μm，（iii）、（iv）和（v）5μm。（c）PiG的SEM圖像和EDS映射，比例尺10μm。（d）Ppa-Ti/PVDF、Ppa-Ti/PBM和Ppa-Ti/PBMP的XRD測量光譜。（e）Ppa-Ti/PVDF、Ppa-Ti/PBM和Ppa-Ti/PBMP的XPS巡天光譜和S 2p高分辨率光譜。（f）Ppa-Ti/PBM和Ppa-Ti/PBMP的水接觸角。（g）Ti/PVDF、Ti/PDA/PBMP和Ppa-Ti/PBMP的粘合拉拔測試，粘合強度與延伸量（距離）作圖，插圖為實驗裝置示意圖的詳細(xì)信息

（2）電性能和US激活的壓電催化

PiG作為壓電種植體周圍涂層，其壓電響應(yīng)對組織再生重要。在1MHz頻率、1W/cm2超聲輻照下，PiG輸出電壓約1V（圖2a），且PEDOT原位聚合的Ppa-Ti/PBMP輸出電壓可達(dá)約1.2V。隨著超聲強度從0.5W/cm2增加到1.5W/cm2，Ppa-Ti/PBMP電壓輸出從約0.3V顯著增加到1.5V（圖2b）。但過高超聲強度對細(xì)胞生長有害，故選擇1W/cm2超聲強度用于后續(xù)實驗（圖2c）。電化學(xué)阻抗譜（EIS）顯示，Ppa-Ti/PBMP電荷轉(zhuǎn)移電阻顯著低于Ppa-Ti/PVDF、Ppa-Ti/PBB和Ppa-Ti/PBM（圖2d）。循環(huán)伏安法（CV）表明Ppa-Ti/PBMP具有高度可逆的CV波形，無明顯副反應(yīng)，說明其壓電穩(wěn)定性好（圖2e）。亞甲藍(lán)實驗顯示Ppa-Ti/PBMP組吸光度最低，壓電催化效率最高（圖2f、2g）。電子順磁共振（EPR）檢測到特征四重態(tài)峰，表明Ppa-Ti/PBMP在超聲激活下產(chǎn)生羥基自由基（圖2h）。PiG的活性氧（ROS）生成能力增強歸因于壓電PBMP納米纖維表面的高效電荷分離，顯示其在壓電動力學(xué)治療中的潛力（圖2i）。

圖2 PiG的壓電響應(yīng)和壓電催化活性。（a）Ppa-Ti、Ppa-Ti/PVDF、Ppa-Ti/PBM和Ppa-Ti/PBMP在1W/cm2超聲輻射下的輸出電壓。（b）Ppa-Ti/PBMP在不同強度超聲照射下的輸出電壓。（c）Ppa-Ti/PBMP上培養(yǎng)的NIH/3T3細(xì)胞活力，在第1、3、5和7天用不同超聲強度處理，數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。（d）Ppa-Ti/PVDF、Ppa-Ti/PB、Ppa-Ti/PBM和Ppa-Ti/PBMP的奈奎斯特圖。（e）Ppa-Ti/PVDF、Ppa-Ti/PB、Ppa-Ti/PBM和Ppa-Ti/PBMP的循環(huán)伏安曲線。（f）亞甲藍(lán)氧化示意圖。（g）超聲照射下不同組亞甲藍(lán)的降解（1W/cm2）和（h）相應(yīng)的電子順磁共振測量值。（i）超聲照射下PiG上羥基自由基生成的示意圖

（3）體外抗菌性能

細(xì)菌在種植體表面的定植對種植體相關(guān)感染的進展和發(fā)病機制起關(guān)鍵作用，從非特異性的可逆附著初級階段開始，需立即制定戰(zhàn)略防止生物膜形成。金黃色葡萄球菌和大腸埃希菌是種植體周圍感染中常見的微生物。實驗評估了各種樣品的殺菌性能（圖3）。活/死染色測定顯示，經(jīng)10分鐘超聲照射后，Ti、Ti+US和Ti/PiG組均出現(xiàn)綠色熒光，而只有Ti/PiG+US組出現(xiàn)微弱紅色熒光，表明該組細(xì)菌被殺死（圖3a）。Ti、Ti+US和Ti/PiG組對金黃色葡萄球菌或大腸桿菌無抗菌效果，而Ti/PiG+US組表現(xiàn)出強大抗菌特性，約80%的細(xì)菌被消除，與活/死染色結(jié)果一致（圖3b-d）。SEM觀察顯示，Ti、Ti+US和Ti/PiG組的細(xì)菌形態(tài)正常、膜結(jié)構(gòu)完整，而Ti/PiG+US組的細(xì)菌形態(tài)變形、膜收縮（圖3e）。這表明單獨超聲的機械振動對Ti基材上細(xì)菌無破壞性影響，而包含壓電表面的Ti襯底可捕獲超聲機械能，通過Ti/PiG促進的高效壓電催化將其轉(zhuǎn)化為壓電電荷和局部活性氧（ROS），抗菌材料示意圖如圖3f所示。這種抗菌現(xiàn)象歸因于聲動力學(xué)壓電效應(yīng)大量產(chǎn)生ROS，誘導(dǎo)脂質(zhì)過氧化改變細(xì)菌膜通透性，導(dǎo)致細(xì)菌死亡。

圖3 Ti/PiG的體外超聲激活抗菌性能。（a）經(jīng)Ti、Ti+US、Ti/PiG或Ti/PiG+US處理后金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的活/死染色，比例尺=100μm。（b）金黃色葡萄球菌和大腸桿菌菌落培養(yǎng)物經(jīng)Ti、Ti+US、Ti/PiG或Ti/PiG+US處理后的代表性圖像。（c、d）Ti、Ti+US、Ti/PiG和Ti/PiG+US處理后對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌率。（e）金黃色葡萄球菌和大腸桿菌經(jīng)Ti、Ti+US、Ti/PiG和Ti/PiG+US處理后的SEM圖像，比例尺=1μm。（f）超聲照射下Ti/PiG的抗菌機制示意圖

（4）US觸發(fā)的Ti/PiG誘導(dǎo)的NETs形成具有增強的抗菌效率

激活后，中性粒細(xì)胞可通過排出核物質(zhì)形成NETs捕獲和殺死入侵細(xì)菌。圖4a展示了NETs與壓電材料協(xié)同抗菌效果的示意圖。Ti/PiG+US組中性粒細(xì)胞的髓過氧化物酶（MPO）基因表達(dá)增加，而其他三組NETs基因無顯著表達(dá)（圖4b）。這可能是超聲誘導(dǎo)Ti/PiG產(chǎn)生電刺激，改變中性粒細(xì)胞膜電位并促進鈣內(nèi)流，增加ROS數(shù)量，從而導(dǎo)致NETs產(chǎn)生。盡管Ti+US組對中性粒細(xì)胞進行了超聲誘導(dǎo)和機械刺激，但NETs形成僅發(fā)生在Ti/PiG+US組，表明NETs誘導(dǎo)依賴于超聲介導(dǎo)的電刺激。這些發(fā)現(xiàn)強調(diào)了Ti/PiG與超聲電刺激在介導(dǎo)NETs釋放中的關(guān)鍵作用，為壓電材料形成NETs的潛在機制提供了見解。

為了探索Ti/PiG+US和超聲誘導(dǎo)的NETs的協(xié)同抗菌作用，建立了結(jié)合材料、中性粒細(xì)胞和細(xì)菌的共培養(yǎng)系統(tǒng)（圖4c）。如圖4d所示，細(xì)菌在Ti、Ti+US和Ti/PiG組中培養(yǎng)時，菌落數(shù)量無顯著變化，這些組不能產(chǎn)生抗菌ROS或誘導(dǎo)NETs。然而，與未添加中性粒細(xì)胞的情況相比，菌落計數(shù)有所減少，表明中性粒細(xì)胞本身具有一定的抗菌作用。在Ti/PiG+US組中，細(xì)菌菌落數(shù)量顯著減少，這可能是由于NETs與Ti/PiG+US產(chǎn)生的ROS的協(xié)同殺菌作用（圖4e、f）。這顯著提高了Ti/PiG的殺菌效果，對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的殺菌率接近99%。這些發(fā)現(xiàn)表明，壓電材料和中性粒細(xì)胞僅在超聲條件下才表現(xiàn)出協(xié)同抗菌作用，NETs能有效中和細(xì)菌病原體，實現(xiàn)幾乎完全的細(xì)菌根除。

圖4 Ti/PiG + US誘導(dǎo)的NETs形成及抗菌效率增強。（a）中性粒細(xì)胞活化和NET釋放的示意圖。（b）經(jīng)Ti、Ti+US、Ti/PiG或Ti/PiG+US處理后體外NETs形成，比例尺=50μm。（c）評估Ti/PiG+US聯(lián)合NETs抗菌潛力的共培養(yǎng)系統(tǒng)方案。（d）金黃色葡萄球菌和大腸桿菌細(xì)菌菌落的代表性圖像，顯示中性粒細(xì)胞的存在。（e、f）中性粒細(xì)胞對Ti、Ti+US處理的抗菌率

（5）成纖維細(xì)胞行為測定

成纖維細(xì)胞在種植體周圍軟組織閉合過程中起關(guān)鍵作用。SEM圖像顯示，接種在Ti和Ti+US組的成纖維細(xì)胞呈橢圓形，無拉伸；Ti/PiG組的成纖維細(xì)胞開始伸長，而Ti/PiG+US組的成纖維細(xì)胞擴散更明顯、拉伸更顯著（圖5a）。這表明成纖維細(xì)胞的初始擴散和粘附受Ti/PiG拓?fù)涮卣饔绊懀曊丈浜骉i/PiG產(chǎn)生的電信號進一步增強了成纖維細(xì)胞的延伸和粘附?；?死染色的活力測定結(jié)果表明，超聲激活的壓電催化抗菌療法對正常組織和細(xì)胞安全，對NIH-3T3細(xì)胞活力影響可忽略不計，細(xì)胞存活率在超聲照射后保持在99%以上（圖5b）。CCK-8測定結(jié)果顯示，所有組中NIH-3T3細(xì)胞活力在1天內(nèi)保持不變，但在3、5和7天后，Ti/PiG和Ti/PiG+US組的細(xì)胞活力增加，表明壓電親水地形促進成纖維細(xì)胞增殖，且Ti/PiG+US組增殖更顯著，歸因于電刺激的協(xié)同作用（圖5c）。黏著斑蛋白染色顯示，Ti/PiG+US組的黏著斑蛋白表達(dá)水平高于其他三組，表明電刺激促進細(xì)胞良好附著（圖5d、f）。免疫熒光染色顯示，Ti/PiG+US組對膠原蛋白形成有刺激作用（圖5e、g）。超聲處理下Ti/PiG+US對體外NIH/3T3細(xì)胞影響的示意圖如圖5h所示。這些發(fā)現(xiàn)證實了Ti/PiG+US組對成纖維細(xì)胞功能表達(dá)的有益影響，可增強植入物與鄰近軟組織的生物整合。

圖5 Ti/PiG+US對體外NIH/3T3細(xì)胞的影響。（a）在超聲存在下，Ti、Ti+US、Ti/PiG和Ti/PiG+US表面的NIH/3T3細(xì)胞的SEM圖像，比例尺=10μm。（b）用Ti、Ti+US、Ti/PiG和Ti/PiG+US處理后NIH/3T3細(xì)胞的活/死染色，比例尺=200μm。（c）用CCK-8測定定量評估NIH/3T3細(xì)胞活力。（d）熒光染色顯示PiG和Ti/PiG+US的細(xì)胞形態(tài)，比例尺=200μm。（e）用Ti、Ti+US、Ti/PiG和Ti/PiG+US處理后NIH/3T3細(xì)胞中Col-1的熒光染色，比例尺=200μm。（f、g）黏著斑蛋白和Col-1熒光染色的定量評估。（h）超聲處理下Ti/PiG+US對NIH/3T3細(xì)胞體外影響的示意圖

（6）體內(nèi)實驗

Ti基種植體周圍軟組織易受細(xì)菌感染，增加種植體失敗風(fēng)險。為評估Ti/PiG在體內(nèi)感染模型中的抗菌效果，進行了實驗。抗感染實驗裝置示意圖如圖6a所示。超聲照射參數(shù)為1W/cm2強度、1MHz頻率，持續(xù)10分鐘。術(shù)后第3天和第7天拍攝各組感染部位照片（圖6b、c）。肉眼觀察顯示Ti、Ti+US和Ti/PiG組感染創(chuàng)面嚴(yán)重化膿和水腫，而Ti/PiG+US組傷口無明顯分泌物或膿性，炎癥反應(yīng)最小，且7天時細(xì)菌感染和炎癥比3天時控制更好。細(xì)菌平板的代表性圖像表明，Ti/PiG組在無超聲照射時金黃色葡萄球菌的CFU略有降低，可能歸因于身體運動在Ti/PiG中感應(yīng)出的壓電效應(yīng)，產(chǎn)生ROS發(fā)揮部分抗菌作用（圖6d）。超聲照射后，Ti/PiG組與其他三組相比CFU顯著下降?？咕式Y(jié)果顯示，3天時Ti/PiG組抗菌率為26.68%，Ti/PiG+US組抗菌率顯著升高至98.8%（圖6e）；7天后，Ti/PiG組抗菌效果為38.31%，Ti/PiG+US組抗菌效果顯著升高至98.4%（圖6f）。Giemsa染色顯示Ti、Ti+US和Ti/PiG組軟組織中存在大量金黃色葡萄球菌，而Ti/PiG+US組在7天后無此類細(xì)菌（圖6g）。Masson染色顯示植入物附近膠原蛋白沉積。免疫組織化學(xué)染色顯示，植入后第3天，Ti、Ti+US和Ti/PiG組中Ly6G染色免疫熒光增加，但MPO免疫熒光染色僅在Ti/PiG+US組中檢測到，表明該組形成更豐富的NETs網(wǎng)絡(luò)（圖6h）。第7天觀察到相同現(xiàn)象，但中性粒細(xì)胞計數(shù)減少。體內(nèi)實驗研究證實，經(jīng)超聲照射的Ti/PiG壓電材料表現(xiàn)出免疫抗菌作用，與電刺激反應(yīng)密切相關(guān)。

圖6 皮下種植體感染模型中有效消除金黃色葡萄球菌感染。（a）評估皮下組織中US存在下Ti/PiG消除細(xì)菌的實驗設(shè)計和時間表。（b、c）第3天和第7天拍攝的種植體感染模型的數(shù)字圖像。（d）第3天和第7天用Ti、Ti+US、Ti/PiG和Ti/PiG+US處理后金黃色葡萄球菌菌落培養(yǎng)物的代表性圖像。（e、f）Ti、Ti+US、Ti/PiG和Ti/PiG+US在體內(nèi)對金黃色葡萄球菌的抗菌率。（g）第7天皮膚組織的H&E和Giemsa染色圖像，比例尺=100μm，箭頭表示細(xì)菌。（h）MPO和Ly6G在第3天和第7天的免疫熒光染色圖像，比例尺=100μm，箭頭表示MPO