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背景介绍

骨髓炎，尤其是由耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）引起的慢性骨髓炎，是临床骨科领域一个持久且严峻的挑战。其复杂病理环境主要由细菌感染、过度炎症反应以及成骨活性不足共同导致。持续性细菌感染形成的生物膜会进一步触发失控的炎症反应，产生大量活性氧（ROS），刺激破骨细胞活性，最终阻碍新生骨形成。目前临床标准治疗依赖反复清创和长期全身抗生素给药，但手术难以完全清除细菌且常导致更大范围骨缺损，而抗生素不仅难以突破生物膜屏障，还会引发耐药性和毒副作用。传统骨填充材料缺乏生物活性，无法同时解决残留感染、调节有害炎症微环境并主动促进成骨。因此，开发一种能够协同实现高效抗菌、持久抗炎和精准成骨的集成治疗策略，对从根本上打破恶性循环、实现骨髓炎高效治疗具有迫切临床需求。

研究思路

针对上述挑战，上海交通大学医学院沈龙祥教授、上海大学李平、耿弼江研究团队首先系统探究了金属-酚网络（MPNs）的结构-活性关系。他们选取五种不同酚羟基数量的多酚化合物（Pae、GA、EGC、EGCG、TA），并以Cu⁺为交联剂构建了五种Cu基MPNs。通过评估其pH响应降解行为及抗菌活性，发现由Cu⁺和表没食子儿茶素（EGC）组装的Cu-EGC具有适中的降解速率和最强的抗菌性能，其机制在于协同的膜破坏与类铜死亡作用。为进一步赋予Cu-EGC抗炎和成骨活性，研究人员将具有免疫调节和成骨活性的硒掺杂碳点（Se-CDs）负载到Cu-EGC表面，构建了Se-CD@Cu-EGC纳米平台。Se元素掺杂不仅赋予了碳点清除ROS和将巨噬细胞从促炎M1表型重编程为抗炎M2表型的能力，还优化了碳点的表面电荷状态，从而激活BMP/Smad通路促进骨髓间充质干细胞（BMSCs）的成骨分化。最后，团队将Se-CD@Cu-EGC整合到GelMA水凝胶中，在MRSA诱导的骨髓炎模型中实现了生物膜清除、炎症缓解和骨修复。相关内容以“Immunomodulatory carbon dots balance the anti-inflammatory, antibacterial, and osteogenic activities of metal-phenolic network for osteomyelitis therapy”为题，发表在Biomaterials。

图片解析

Scheme 1. 集成纳米平台构建与应用示意图： GelMA/Se-CD@Cu-EGC水凝胶的构建流程及其在感染性骨髓炎治疗中协同发挥抗炎、抗菌和成骨活性的示意图。

图1. MPNs与Se-CD@Cu-EGC的表征及抗菌活性筛选： (a) 五种多酚化合物对MRSA的抗菌效果。(b) Cu交联MPNs中Cu⁺/Cu²⁺比例。(c) MPNs中多酚化合物的释放速率。(d) Cu-EGC的TEM图像。(e) 五种Cu-MPNs对MRSA的抗菌效果。(f-i) Se-CD的XPS全谱及高分辨Se 3d、N 1s、O 1s谱图。(j) Se-CD结构特征示意图。(k) Se-CD@Cu-EGC的XRD图谱。(l) Se-CD负载Cu-EGC的TEM图像。(m) Se-CD在Cu-MPNs上的负载率。(n) Se-CD负载前后MPNs对MRSA的抗菌效果。

图2. Se-CD@Cu-EGC的抗菌机制： (a) 抗菌机制示意图。(b-d) 不同处理后MRSA和大肠杆菌的菌落平板(b)、活死染色(c)及SEM图像(d)。(e) MRSA细菌膜电位染色。(f) 不同处理对MRSA呼吸链复合物I、II、III、IV活性的影响。

图3. Se-CD@Cu-EGC对生物膜的抑制与破坏作用： (a) 生物膜抑制与破坏机制示意图。(b-c) 不同处理后未成熟(b)和成熟(c)生物膜的结晶紫染色照片。(d-e) 未成熟(d)和成熟(e)生物膜内活菌菌落计数。(f-g) 未成熟(f)和成熟(g)生物膜SYTO 9/PI染色的3D图像。

图4. 转录组学分析Se-CD@Cu-EGC的抗菌靶点： (a) Se-CD@Cu-EGC处理后的差异表达基因火山图。(b-c) GO功能富集分析(b)和KEGG通路富集分析(c)。(d) 细菌TCA循环相关基因的聚类分析热图。(e) Se-CD@Cu-EGC干扰TCA循环的机制示意图。

图5. MRSA感染伤口模型的体内抗菌与愈合评估： (a) MRSA感染伤口模型治疗流程示意图。(b) 不同治疗后MRSA感染伤口的照片。(c-d) 伤口面积变化轨迹(c)及定量分析(d)。(e-f) 第12天感染皮肤组织的H&E(e)和Masson(f)染色图像。(g) 不同处理后伤口处MRSA菌落计数。(h-i) 不同处理后淋巴结中DC成熟水平(h)和脾脏中T细胞活化水平(i)的流式检测。

图6. Se-CD@Cu-EGC的体外抗氧化活性： (a-b) ROS清除和SOD样活性机制示意图。(c-n) Se-CD@Cu-EGC(c,g,k)、Se-CD(d,h,l)和Cu-EGC(e,i,m)对ABTS⁺(c-f)、DPPH(g-j)和•OH(k-n)的清除效率评估。

图7. Se-CD@Cu-EGC的细胞水平抗炎与巨噬细胞极化调控： (a) LPS诱导RAW264.7巨噬细胞炎症模型示意图。(b) 骨髓来源巨噬细胞分离与极化流程。(c-g) 不同处理后骨髓巨噬细胞上清中IL-12(c)、IL-6(d)、TNF-α(e)、IFN-γ(f)和IL-10(g)的水平。(h-j) 不同处理后骨髓巨噬细胞中F4/80⁺CD86⁺(M1)和F4/80⁺CD206⁺(M2)比例的流式分析及定量。

图8. Se-CD@Cu-EGC促进BMSCs成骨分化： (a) Se-CD@Cu-EGC促进BMSCs向成骨细胞分化示意图。(b) Se-CD@Cu-EGC介导成骨活性的机制示意图。(c-e) 不同处理后BMSCs的相对细胞活力。(f) 不同处理后BMSCs的活死染色。(g-h) 第7天(g)和第14天(h)BMSCs的钙结节、ARS染色和ALP染色图像。(i-l) ARS和ALP染色的定量结果。(m) 不同处理后BMSCs中RUNX2、OCN和OPN蛋白表达。

图9. GelMA/Se-CD@Cu-EGC水凝胶的制备与多功能验证： (a) GelMA/Se-CD@Cu-EGC水凝胶制备流程示意图。(b-e) 不同水凝胶的SEM图像(b)、溶胀动力学(c)、生物降解行为(d)和压缩模量(e)。(f-g) 不同处理后细菌菌落平板(f)及生物膜破坏(g)结果。(h-j) 水凝胶包封后对ABTS⁺、•OH和O₂²⁻的清除能力。(k-p) 第7天(k,m,n)和第14天(l,o,p)BMSCs的钙结节、ARS和ALP染色及定量结果。

图10. MRSA诱导骨髓炎模型的体内骨修复评估： (a) MRSA感染骨髓炎模型治疗流程示意图。(b) 不同治疗后感染骨部位的照片。(c-f) 基于3D micro-CT图像的BMD(c)、BV/TV(d)、Tb.Sp(e)和Tb.Th(f)定量分析。(g) 不同治疗后感染骨部位的3D micro-CT图像。(h) 不同治疗后感染骨部位的Arg1和iNOS免疫荧光染色图像。

图11. 体内炎症调节与巨噬细胞极化分析： (a) 体内炎症评估示意图。(b-f) 不同治疗后体内炎症因子IL-10(b)、TNF-α(c)、IL-6(d)、IFN-γ(e)和IL-12(f)的水平。(g-i) 不同治疗后骨髓中TAMs（F4/80⁺）表面CD86⁺和CD206⁺表达的流式分析及定量结果。

结论

本研究首次通过建立清晰的构效关系，系统筛选了具有最优抗菌活性的MPNs。在五种多酚化合物中，Cu-EGC展现出最强的抗菌性能，其能够在酸性细菌微环境中适度降解，释放Cu离子和EGC，通过类铜死亡和膜损伤双重机制高效杀灭浮游细菌和成熟生物膜。进一步利用具有免疫调节和成骨活性的Se-CDs负载到Cu-EGC表面，构建了Se-CD@Cu-EGC纳米平台。该平台不仅能清除ROS、将巨噬细胞从M1表型极化为M2表型，还能通过负电荷表面激活BMP/Smad通路促进BMSCs成骨分化。将Se-CD@Cu-EGC整合到GelMA水凝胶中制备的3D可注射水凝胶，在MRSA诱导的骨髓炎模型中实现了优异的抗菌、抗炎和骨修复效果，其疗效显著优于单一组分的GelMA/Se-CD和GelMA/Cu-EGC。这项工作不仅阐明了多酚结构对MPNs抗菌活性的精确调控规律，还为开发针对感染性骨髓炎的多功能生物材料提供了全新的设计策略，有望推动纳米材料在骨科感染治疗中的临床转化。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2026.124313