基于氧化石墨烯的硫化物异质结用于骨缺损感染治疗的研究

作     者：赵建魁 

作者单位：四川大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨为中;马原

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：异质结 氧化石墨烯 葡萄糖氧化酶 骨缺损感染 协同治疗 

摘      要：异质结在体外抗菌领域的研究及应用为体内骨缺损感染治疗的研究提供了一个新的方向。相比于传统抗生素疗法,异质结应用于体内抗菌治疗可以有效规避耐药性问题。此外异质结应用于体内抗菌时往往可以同时实现光热治疗(PTT)和光动力治疗(PDT),赋予材料体系光热-光动力协同治疗能力,有效解决了单一疗法治疗效果不足的问题。在此基础上将异质结与抗菌酶葡萄糖氧化酶(GOx)结合,通过级联反应产生高细菌毒性的羟基自由基(·OH)来进一步提高材料抗菌效果,从而从多方面提高材料对糖尿病患者骨缺损感染的疗效。本课题分别制备了主要组分为二硫化钼(Mo S)和硫化铜(Cu S)的氧化石墨烯(GO)基异质结并将异质结负载在骨修复材料基体磺化聚醚醚酮(s PEEK)表面,随后将GOx负载在复合材料表面。在构建的复合材料体系中异质结和GOx主要发挥抗菌作用,酶催化产物过氧化氢(HO)与两类异质结构成级联反应以进一步提高异质结抗菌效果,而s PEEK作为负载异质结和GOx的骨修复材料基体,赋予体系与自然骨相近的弹性模量以确保骨修复正常进行。课题通过相关实验表征了材料的化学组成、形貌结构、能带结构、光热性能、光动力性能、抗菌性能、细胞相容性、成骨活性、生物相容性等性能,具体内容如下:(1)通过水热法制备了二硫化钼/氧化石墨烯(Mo S/GO)异质结粉体,并将其负载在经过聚多巴胺(p DA)表面改性的s PEEK表面,随后将GOx负载在复合材料表面得到负载Mo S/GO和GOx的p DA改性s PEEK(s PEEK-Mo S/GO+GOx)。经过材料分析可知水热合成的Mo S/GO为Z型异质结,具备产生超氧自由基(·O)和·OH的能力。材料具有良好的光热性能和光热稳定性,在近红外(NIR)照射下其体外升温可达19℃左右,与细菌共培养时能对细菌造成有效杀伤。细胞实验结果表明s PEEK-Mo S/GO+GOx具有良好的细胞相容性,并且能够有效促进成骨细胞成骨分化,具有较好的成骨活性。此外动物实验证明材料应用于体内抗菌时也能发挥抗菌功能,且施加NIR治疗不会对动物造成明显不利影响,具有应用于骨缺损感染治疗的潜在可能性。(2)通过水热法制备了硫化铜/氧化石墨烯(Cu S/GO)异质结粉体并通过p DA黏附作用将异质结负载在s PEEK表面,随后通过负载GOx赋予材料消耗葡萄糖产生HO的能力。材料表征结果表明水热合成的Cu S/GO异质结为Z型异质结,在NIR照射下能够产生·OH和·O,具备PDT的能力。材料具有良好的光热稳定性,在NIR光照下最高可升温22℃,与细菌共培养时对细菌具有较强的杀菌效果。细胞实验结果表明负载Cu S/GO和GOx的p DA改性s PEEK(s PEEK-Cu S/GO+GOx)具有良好的细胞相容性和成骨活性,具备应用于骨修复治疗的潜力。最后通过小鼠体内皮下植入实验证明s PEEK-Cu S/GO+GOx应用于体内时依然具有良好的抗菌效果,并且NIR治疗对实验小鼠无明显负面影响。综上所述,本课题分别构建了两种基于异质结的骨缺损感染治疗体系,实验结果证明课题构建的s PEEK-Mo S/GO+GOx和s PEEK-Cu S/GO+GOx具有优良的光热-光动力协同抗菌性能、良好的细胞相容性和较好的成骨活性,并通过动物实验证明两类材料在体内依然能发挥有效的抗菌效果,且NIR治疗不会对机体造成明显不利影响。本研究所构建的两类基于异质结的复合材料体系在糖尿病骨缺损感染治疗领域具有广阔的发展前景。