我院李斌教授团队与南京理工大学邢晓东教授合作，在《Science Advances》发表题为“Transformation of arginine into zero-dimensional nanomaterial endows the material with antibacterial and osteoinductive activity”的研究论文。李斌教授、韩凤选研究员和邢晓东教授为论文共同通讯作者。
植入物相关感染是影响骨科手术成功的主要威胁。虽然各种材料通过产生活性氧（Reactive oxygen species，ROS）来清除细菌，但 ROS 本质上无法区分细菌和细胞，从而在抗菌的同时会对周围的健康组织造成氧化应激损伤，这极大限制了感染性骨损伤的治疗效果。
李斌教授、韩凤选研究员与邢晓东教授团队合作发现，由精氨酸转化而来的精氨酸碳点（Arginine carbon dot，Arg-CD）具有极强的杀菌和成骨活性。研究人员进一步将 Arg-CD 加入氧化透明质酸/甲基丙烯酰化明胶（Oxidized hyaluronic acid/Methacrylate Gelatin，HG）中得到含有 Arg-CD 的复合水凝胶（CHG）。CHG 复合水凝胶响应酸性微环境智能释放 Arg-CD，显著抑制细菌内部抗氧化酶的表达，通过产生过量的 ROS 高效抗菌，而上调细胞内抗氧化酶的表达，清除细胞内的 ROS，促进细胞粘附生长，且通过上调细胞内抗氧化基因及蛋白的表达保护细胞免受氧化应激损伤。重要的是，CHG 复合水凝胶通过 TLR/JAK-STAT-c-Maf 轴上调 Il10的表达，促进巨噬细胞向 M2 型极化，改善免疫损伤微环境，促进骨组织再生（图1）。
图1. CHG复合水凝胶选择性抗菌并促进成骨的示意图。
通过热解法成功制备得到具有晶格条纹结构的 Arg-CD，将 Arg-CD 加入水凝胶中制备得到 CHG 复合水凝胶，CHG 复合水凝胶响应酸性微环境智能释放 Arg-CD（图2）。
图2. Arg-CD 和水凝胶特性：（A）Arg-CD TEM图；（B）Arg-CD 紫外-可见吸收光谱图；（C）红外光谱图；（D）不同条件下的水凝胶断面形貌 SEM 图；（E）不同条件下的水凝胶力学强度检测；（F）不同条件下的 CHG 复合水凝胶释放 Arg-CD 折线图。
CHG 复合水凝胶可显著杀伤金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus，S. aureus），抑制细菌内化进入大鼠骨髓间充质干细胞（Bone marrow mesenchymal stem cell，BMSC）内部，促进细胞粘附生长，具有优异的抗菌且促细胞粘附作用，可防止慢性感染及感染复发（图3）。
图3. 细胞细菌共培养系统：（A）S. aureus和 BMSC 在水凝胶表面生长的微观形貌 SEM 图；（B）荧光粒子标记细胞细菌后的共培养荧光染色图；（C）水凝胶抗菌且促细胞粘附生长示意图。
CHG 复合水凝胶显著上调细胞和细菌内部 ROS 水平，抑制细菌内抗氧化酶的表达，致使细菌无法清除体内产生的过量 ROS而大量死亡。有趣的是，CHG 复合水凝胶显著上调细胞内抗氧化酶、基因及蛋白的表达，保护细胞免受氧化应激损伤，从而有效促进细胞粘附生长（图4）。
图4. 水凝胶抗菌及促细胞粘附生长作用：（A）S. aureus和 BMSC 内 ROS 水平检测；（B）S. aureus和 BMSC 内过氧化氢酶表达水平检测；（C）S. aureus和 BMSC 内超氧化物歧化物酶表达水平检测；（D）BMSC 内抗氧化基因表达水平检测；（E）BMSC 内抗氧化蛋白表达水平检测。
CHG 复合水凝胶显著促进感染性骨损伤修复，可作为理想的支架材料用于骨组织工程（图5）。
图5. 水凝胶体内修复感染性骨损伤：（A）Micro-CT 扫描三维立体图；（B）损伤部位新生骨组织分析图；（C）H&E 染色图；（D）Masson 染色图。
进一步对水凝胶的成骨机制进行研究发现，CHG 复合水凝胶可通过 TLR/JAK-STAT-c-Maf 上调 Il10的表达，促进巨噬细胞向 M2 型极化，调控免疫损伤微环境，促进骨组织再生（图6，7）。
图6. 水凝胶促进骨再生机制的探究：（A）主成分分析图；（B）基因表达热图；（C）基因本体分析图；（D）基因集富集分析图；（E）火山图；（F）IL-10 含量检测；（G）巨噬细胞向 M2 型极化荧光染色图。
图7. 水凝胶促进骨再生机制的探究：（A）KEGG 信号通路富集分析；（B）调控 Il10相关基因表达分析柱状图。
本研究结果表明，将小分子转化为碳点后可能放大其功能，同时获得小分子自身所不具备的其他优异性能，这为新型生物材料设计提供了良好借鉴。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf8645
作者简介：
李斌，苏州大学特聘教授、bwin必赢院长、骨科研究所副所长，国家杰青，江苏特聘医学专家。现任国际华人骨研学会会员委员会主席、中国生物医学工程学会组织工程与再生医学分会候任主委、中国生物材料学会智能仿生生物材料分会副主委、中国研究型医院学会骨科创新与转化专委会常委兼骨科基础研究学组副组长等职。发表论文170余篇，参编专著12部，申请及授权发明专利20余项。在国内外作邀请报告160余次。任J Orthop Transl、Frontiers Bioeng Biotechnol和Biomater Transl等期刊副主编及100余学术期刊审稿人。主持国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划等课题。
韩凤选，2014年获得天津大学材料学工学博士学位，2014年8月加入苏州大学骨科研究所李斌教授课题组（生物材料与细胞力学实验室）工作，现任研究员。主要研究方向为骨科生物医用材料、药物控制释放材料、组织工程。目前，以第一/通讯作者在Science Advances、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Biomaterials、Bioactive Materials、Research等期刊发表SCI论文30余篇，参编专著3部，授权专利4项。已主持国家面上项目、国家青年基金、中国博士后特别资助、中国博士后面上一等资助等项目。目前担任中华医学会骨科分会第十一届委员会青年委员会骨质疏松学组委员、International Chinese Musculoskeletal Research Society (ICMRS), Junior Leadership Development Committee (JLDC)（国际华人骨研学会青年委员会）委员、中国生物材料学会康复器械与生物材料分会委员等。
邢晓东，博士、副研究员，南京理工大学应用化学国家重点学科从事科研教学工作。主要研究方向为新型抗菌材料的制备、性能与作用机理研究。发表论文60余篇，申请及授权发明专利10余项。主持、参加国防科工委基金项目、国家自然科学基金重点项目、面上项目等课题。