Adv Sci：从表面工程到体积工程，3D药物储库破解糖尿病植入物感染难题

糖尿病患者植入物相关感染是口腔医学与骨科领域面临的重大临床挑战。由于免疫-代谢双重失调，这类感染往往伴随持续性炎症反应和组织损伤，传统抗菌治疗难以在彻底清除病原菌的同时保护宿主组织。

更棘手的是，常规二维表面改性技术载药量有限，植入过程中的摩擦会导致涂层药物大量流失，无法实现感染急性期与慢性愈合期的全程治疗覆盖。因此，开发兼具高效抗菌与组织保护功能的新型植入物表面工程策略，成为突破糖尿病感染治疗瓶颈的关键。

2025年7月3日，重庆医科大学陈陶教授、李帝泽副研究员团队在Advanced Science发表题为Volumetric Engineered 3D Drug Reservoir Against Diabetic Implant Infection via Cuproptosis-Like Bacterial Death and Hunger-Triggered Maintenance of Mitochondrial Integrity的研究论文。

文章创新性地提出“维度提升（dimensional rise）”策略，通过3D打印多孔钛支架与微纳分级结构的协同构建，建立了机械稳固的高容量药物储库体系，实现了对细菌铜死亡杀伤与宿主细胞线粒体保护的双向精准调控，并在比格犬临床级种植体模型中验证了其转化应用潜力。

研究亮点

1.从表面工程到体积工程：构建三维药物储库

传统植入物抗菌设计主要依赖表面改性，其药物负载能力和稳定性受到明显限制。本研究提出“维度提升”理念，通过构建仿骨小梁多孔钛结构，并在孔壁形成微纳分级结构，将二维表面改性升级为三维立体结构设计。

这种体积工程（volumetric engineering） 策略显著增加了药物储存空间，同时将功能涂层保护于孔壁内部，从而减少植入摩擦导致的药物流失，构建稳定的三维药物储库体系，为长期可控释药提供了重要结构基础。

2.铜死亡样抗菌：光热协同的多模态杀菌机制

研究团队构建了一种由铜掺杂碳量子点、聚多巴胺涂层及葡萄糖氧化酶组成的多功能抗菌体系。该体系通过多机制协同实现高效抗菌。聚多巴胺赋予材料优异的光热性能，可在近红外光照射下产生局部热效应，从而增强细菌膜通透性并促进铜离子进入细菌细胞。进入细胞后的铜离子可诱导活性氧生成并干扰细菌能量代谢过程，最终导致细菌发生类似“铜死亡”的代谢崩溃。此外，材料中的苯硼酸基团能够与细菌细胞壁形成特异性结合，实现细菌主动捕获与富集，从而进一步增强接触杀菌效率。

3.饥饿触发保护：代谢调控实现“杀菌-护胞”分离

为了降低铜离子对宿主细胞可能产生的毒性，研究创新性引入葡萄糖氧化酶，通过消耗局部葡萄糖营造“饥饿微环境”，从而激活巨噬细胞的能量代谢调控通路。该过程通过 AMPK–SIRT1 信号轴 维持线粒体功能、增强细胞抗氧化能力，并稳定线粒体动力学平衡，从而有效抵御铜诱导的氧化应激损伤。实验结果表明，该体系在高效杀灭耐药菌的同时，能够显著保护宿主免疫细胞，实现“精准杀菌、选择性护胞”的治疗效果。

4.多动物模型验证：展现良好的临床转化潜力

研究通过多种动物模型系统评估该策略的治疗效果。结果表明，该材料体系不仅能够有效清除植入物周围感染，还能够促进骨组织再生并改善种植体稳定性。

特别是在大型动物模型中，该策略在临床级种植体条件下依然表现出良好的抗感染与成骨能力，显示出较强的临床转化潜力。

本研究通过“维度提升”策略，将传统植入物表面工程升级为 体积工程设计，构建了兼具机械稳定性、高药物容量和长效释药能力的三维药物储库体系。更重要的是，研究提出了“铜死亡抗菌—饥饿触发保护”的差异化治疗模式，在高效清除病原菌的同时，通过代谢调控保护宿主细胞。

这种双靶点、分阶段的治疗理念兼顾急性感染控制与长期组织再生，为糖尿病等代谢性疾病相关的植入物感染治疗提供了新的思路，也为口腔及骨科种植体功能化设计迈向精准医学提供了重要方向。

原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202506554