随着人口老龄化，骨科植入物的流行率正在上升。这些患者容易受到假体周围感染和器械故障的影响。在植入物表面涂上亲水性分子或群体感应抑制剂可以阻止细菌黏附，但一旦少数细菌设法附着，这一策略就变得无效，最终将发展成抗药性生物膜。
从蝉和蜻蜓的天然抗菌翅膀中汲取灵感, 美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校Cao Qing等人提出了一种与商用骨科植入物兼容的双功能智能聚合物箔涂层，以解决败血症和无菌故障。它的外表面具有最佳的生物灵感机械杀菌纳米结构，能够通过物理过程杀死广泛附着的病原体，以降低细菌感染的风险，而不会直接释放任何化学物质或伤害哺乳动物细胞。在与植入物接触的内表面上，采用了基于单晶硅纳米膜的多路晶体管应变片阵列，以高灵敏度和空间分辨率绘制植入物所经历的应变，为早期诊断提供骨植入物生物力学信息，将灾难性器械故障的可能性降至最低。在绵羊后外侧融合模型和啮齿动物种植体感染模型中验证了它们的多模式功能、性能、生物相容性和稳定性。该研究以题为“A smart coating with integrated physical antimicrobial and strain-mapping functionalities for orthopedic implants”的论文发表在《Science Advances》上。
为了同时解决这些长期存在的关键的临床和技术障碍，在此提出了一种智能涂层箔的设计，它可以在商业骨科植入物的弧形表面保形应用，并提供长期的物理杀菌和敏感的、高空间分辨率的应变映射功能，以减轻软性的、集成的骨科故障。它的外表面具有高密度和高长宽比的纳米柱阵列，具有精确控制和优化的几何形状，模仿了蝉翼的表面纳米结构。
这些仿生纳米结构对最常见的与骨科植入物感染有关的致病菌表现出强烈的机械杀菌作用，而不直接释放任何化学物质，并能有效防止它们在体内啮齿动物植入物感染模型中形成生物膜和感染。在单晶硅纳米膜上建立了一个多路应变传感阵列，该阵列被转移印在箔的另一面。
图1. 用于骨科植入物的双功能智能涂层箔的设计
【生物仿生物理抗菌纳米柱阵列】
双功能智能涂层箔设计的第一个关键因素是定义在柔性聚合物基底上的仿生物机械杀菌纳米柱阵列。模仿某些昆虫翅膀表面的纳米突起的纳米柱阵列可以通过变形和穿透细胞膜在接触时杀死微生物。
在这里，结合自上而下和自下而上的纳米加工，以制备大面积、高纵横比的聚合物-纳米柱阵列，其几何形状可精确调整，有助于实现并论证最佳仿生设计。这个过程首先是用单分散的聚苯乙烯纳米球制作一个晶圆规模的胶体晶体掩模。氧气等离子体蚀刻缩小了纳米球的尺寸，并创造了均匀的间隙。然后一揽子沉积金属膜，接着去除纳米球，以确定一个有孔的掩模，用于随后的深硅反应-离子蚀刻（RIE），以创造具有垂直侧壁的高宽比孔。在将聚酰胺涂在该模板上后，真空退火将低聚物转化为交联的聚酰亚胺，该聚酰亚胺可以从模板上剥离下来，成为独立的柔性薄膜，其表面具有高密度的纳米柱阵列。在这个过程中，纳米柱的间距、直径和高度分别通过调整聚苯乙烯的直径、氧RIE时间和深硅RIE的蚀刻周期数来独立和精确地控制。
图2. 双功能智能涂层箔外表面的仿生机械杀菌纳米柱阵列，保护骨科植入物免受细菌感染
这种合理的最佳仿生设计确保了一个高效和广谱的抗菌表面。它几乎消除了所有有活力的大肠杆菌和铜绿假单胞菌，这两种最常见的革兰氏阴性微生物牵涉到骨科植入物的感染，以及约99%的金黄色葡萄球菌，这包括多达三分之二的鼻腔感染的病原体，与作为内部对照的平面箔相比。在营养丰富的环境中培养48小时后，这种高杀菌效力能够成功防止细菌生物膜的形成。
尽管这些聚合物纳米柱阵列具有广谱性和高抗菌功效，但在48小时的培养后，它们对来自骨骼、皮肤和肌肉的哺乳动物细胞系没有毒性。
图3.最佳的仿生纳米柱-阵列设计，确保了高抗菌活性、结构坚固和与哺乳动物细胞的生物相容性
【建立在柔性单晶硅纳米膜上的多路应变感应阵列】
在智能涂层箔设计中实现的另一个基本功能是对骨科植入物上的局部应变进行精确测绘。半导体压阻传感器阵列是建立在从硅-绝缘体（SOI）晶片上培养出来的单晶硅纳米膜上，并转移印刷到与仿生抗菌纳米柱相对的Kapton箔基材的平坦面，可以在1至5V的低操作电压下测量低至0.01%的应变，具有良好的精度和空间分辨率，超出了柔性金属箔应变计的能力范围。
装备有多路硅应变传感器阵列的智能涂层薄膜确定脊柱融合的进展和检测植入物松动的能力随后在体外绵羊后外侧融合模型中得到验证。脊柱杆上的应变分布变化可以通过智能涂层膜片以足够的空间分辨率准确测量，为准确和早期诊断假性关节炎提供了关于腰椎融合和植入物松动的客观生物力学证据，而假性关节炎影响了15%的患者。
图4. 与骨科植入物接触的双功能智能涂层箔内表面上的多路应变感应阵列
【双重功能智能涂层薄膜在体内的功能、生物相容性和稳定性】
啮齿动物模型被用来验证体外结果，并证明了智能涂层箔的功能、稳定性和在体内的良好耐受性。智能涂层箔上的机械杀菌纳米柱阵列消除了皮内细菌菌落，并大大降低了中性粒细胞炎症和组织损伤的程度。从数量上看，可从智能涂层箔及其周围组织中回收的金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌的数量都低了几个数量级。
图5. 智能涂层箔的抗菌性能的体内认证
在小鼠皮下植入模型中，还研究了宿主对智能涂层薄膜的炎症反应。清楚地显示了智能涂层铝箔周围存在着薄薄的胶原纤维层，在铝箔植入体内8周后，很少有炎症细胞浸润、新生血管和穿插在胶原纤维中的纤维细胞。这些结果代表了慢性宿主组织反应，即在植入材料周围形成了一个保护性的纤维层，实现了植入物与组织的成功结合。
图6.智能涂层箔的生物相容性的体内认证
体内环境不会使电子器件或对体液渗透的钝化作用退化。还评估了铝箔另一面的纳米柱阵列的长期抗菌性能。在去除附着的纤维组织后，聚合物纳米结构被很好地保留下来，它们仍然可以有效地防止金黄色葡萄球菌或铜绿假单胞菌的生物膜形成。与新鲜制备的原始薄膜相比，其定量杀菌效果只是略有下降，但仍能保持>99%的细菌清除率。
图7.智能涂层箔在体内的长期稳定性认证
【小结】
该研究设计并制造了一种智能涂层薄膜，它具有优化的仿生机械抗菌纳米结构，以防止假体周围的植入物感染，并具有多路应变传感系统，以连续监测植入物的生物力学，对仪器故障进行预防性诊断，并将其整合在一个灵活的外形尺寸中。在商用骨科植入物的表面上应用薄膜，(1)在体外和体内的临床前感染模型中实现了>99%的细菌清除，(2)提供了保形和高空间分辨率的主动矩阵应变图，以敏感地检测早期骨融合和植入物松动，这在体外绵羊后外侧融合模型中得到了验证，而无需修改植入物的内部结构。双重功能的整合解决了败血症和无菌性骨科故障，使护理标准和病人结果得到改善。在未来的探索中，这些设备可能对其他医疗植入物很有价值，例如血管内导管和气管内导管，在这些地方，预防鼻腔感染和监测机械变形也很关键。
该研究的一个局限性是，在小鼠模型中进行了所有的体内研究，这并不能完全捕捉到宿主-病原体相互作用和人类免疫反应的关键方面。然后，生物力学诊断在体外绵羊模型中得到了验证，虽然在本研究中使用的腰部区域，绵羊和人类的椎体最为相似，但与人类脊柱相比，在尺寸上有很大差异。
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