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材料学院朱之灵&隋凝团队在纳米酶医疗器械开发取得系列进展

作者:朱之灵 来源:材料学院 责任编辑:潘超超   终审: 点击: 日期:2024-05-31

纳米酶是一类具有类酶特性的新兴的纳米材料,作为天然酶的替代品,具有成本低、稳定性好、易于储存等巨大优势,并已成功地在各种应用中,如生物传感、诊断、疾病治疗等。作为国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)公布的2022年十大化学新兴技术之一,纳米酶的研究在全球范围内获得了广泛关注。

纳米酶应用于医疗器械的优势主要包括以下几点:(1)高效性:纳米酶具有更高的催化活性和稳定性,能够更有效地降解生物分子,提高医疗器械的治疗效果;(2)精准性:纳米酶能够具有更精准的靶向性,能够针对特定的生物分子进行催化反应,减少对健康组织的损害;(3)可控性:纳米酶的活性和反应速率可以通过调控其结构和环境条件进行控制,可以根据需要调整其活性和稳定性;(4)生物相容性:纳米酶具有良好的生物相容性,不会引起免疫反应和毒副作用,适合用于医疗器械;(5)可持续性:纳米酶具有较长的使用寿命,可以多次重复使用,降低医疗器械的成本。总的来说,纳米酶在医疗器械上的应用具有更高效、更精准、更可控、更生物相容和更可持续的优势,有望为医疗器械的研发和应用带来革命性的变革。

成果一:纳米酶增强水凝胶涂层用于预防导尿管相关尿路感染

导管相关性尿路感染(CAUTI)是由导管插入后细菌侵入尿路组织引起的,占全球医院获得性感染的近40%。由于长时间导管在体内放置,会促进细菌增殖,形成生物膜感染。针对独特尿路微环境,对CAUTI的治疗需要考虑抗菌、抗菌膜和抗炎等多方面因素。临床上预防导管感染的措施包括选择合适的导管材料、定期更换导管和在留置期间使用抗生素。银以其对细菌的选择性毒性和对人类的低毒性而闻名,已广泛应用于各种抗菌产品,医用抗菌导管中使用银已被证明可有效预防尿路感染,但它们缺乏抗炎功能,并且抗菌耐久性较差,不足以有效缓解由CAUTI诱导的尿路相关炎症。

针对以上挑战,材料学院朱之灵副教授在《Nano Today》(IF=17.4)上发表了题为“Nanozyme-reinforced hydrogel coatings for prevention of catheter-associated urinary tract infection”的研究。该研究通过制备超低载量的金/铁共掺杂的银过氧化物纳米酶增强水凝胶涂层,并对商品化的硅胶导尿管进行简单且具有低成本的化学工艺改性,赋予其类过氧化物酶和类过氧化氢酶活性。经过水凝胶涂覆的导尿管表现出针对独特尿路微环境的抗菌、抗生物膜和抗炎特性(图1)。此外,水凝胶涂层还增强了导尿管的亲水性,从而提高患者使用的舒适度。体外和体内实验均证实了改性的导尿管在抑制细菌增殖、减少生物膜形成、增强氧气供应和调节免疫应答方面的功效。由此,这项研究不仅提出了一种预防和治疗导尿管相关尿路感染替代策略,而且还提供了一种有前途的疗法,通过利用多酶活性纳米酶来解决CAUTI治疗多方面的需求。

图1.用于CAUTI治疗的纳米酶增强导尿管的制备及其作用机制示意图

(文章链接:https://doi.org/10.1016/j.nantod.2024.102271)

论文第一作者是金沙唯一官方娱乐场硕士研究生商利敏和于懿鑫,通讯作者为金沙唯一官方娱乐场朱之灵副教授。上述工作得到了国家自然科学基金支持。

成果二:纳米酶眼用微针用于治疗角膜炎

感染性角膜炎是一种进展迅速的侵袭性角膜疾病。其发病机制包括细菌性角膜炎和真菌性角膜炎,每年造成数百万人失明,近几十年来全球发病率不断上升。革兰氏阳性细菌(如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌)、酵母样真菌(如念珠菌)和丝状真菌(如镰刀菌和曲霉菌)是引起角膜炎的最常见病原体。临床治疗包括局部使用抗生素和角膜内注射抗生素,通常是通过眼药水或眼药膏。然而,由于眼部屏障的存在,局部给药的生物利用度低于5%。因此,治疗方案需要高剂量或频繁的局部给药,使患者面临耐药性和副作用的风险。然而,使用穿透表面屏障(角膜和巩膜)的皮下注射针进行眼内注射,患者会感到不适,需要频繁就诊,并有感染、出血和潜在永久性损伤的风险,因此依从性较差。因此,迫切需要开发局部、持久、有效且方便患者的治疗策略来治疗感染性角膜炎。

近日,金沙唯一官方娱乐场朱之灵副教授、隋凝副教授在《Small》期刊(IF=13.3)上发表了题为“Multienzyme-like Nanozyme Encapsulated Ocular Microneedles for Keratitis Treatment”的研究论文。该研究报道了一种氧化锰纳米簇修饰的石墨二炔纳米片(MnOx/GDY),并将其负载到透明质酸和聚甲基丙烯酸甲酯基眼用微针(MGMN)。MGMN不仅因其多酶活性(包括类氧化酶、类过氧化物酶、类过氧化氢酶和类超氧化物歧化酶)而表现出抗菌和抗炎作用,而且还能通过微针系统穿过眼屏障并显示出高的生物利用度(图2)。此外,在体内和体外实验中,MGMN均被证明能消除病原体、防止生物膜形成、减轻炎症、缓解眼部缺氧、促进角膜上皮损伤的修复。并且,与商用伏立康唑眼药相比,具有更好的治疗效果,无明显的微生物耐药性和细胞毒性。因此,本研究表明,基于多酶活性纳米酶的眼科微针是治疗感染性角膜炎的一种有效、方便患者且安全的策略。

图2.装载多酶活性纳米酶的眼用微针用于治疗传染性角膜炎的治疗原理图

(文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202308403

论文第一作者是金沙唯一官方娱乐场硕士研究生刘珅,通讯作者为金沙唯一官方娱乐场朱之灵副教授、隋凝副教授。上述工作得到了国家自然科学基金和山东省自然科学基金支持。

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