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Alkaline “Nanoswords” Coordinate Ferroptosis-like Bacterial Death for Antibiosis and Osseointegration

抗菌 生物物理学 金黄色葡萄球菌 细胞外 程序性细胞死亡 化学 生物膜 微生物学 细胞生物学 骨整合 细胞毒性 细菌 生物化学 细胞凋亡 生物 体外 植入 医学 外科 遗传学
作者
Xue Yang,Lan Zhang,Fuwei Liu,Fang Dai,Liang Kong,Dayan Ma,Yong Han
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (3): 2711-2724 被引量:79
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c10960
摘要

Ferroptosis is an iron-dependent cell death and is associated with cancer therapy. Can it play a role in resistance of postoperative infection of implants, especially with an extracellular supplement of Fe ions in a non-cytotoxic dose? To answer this, "nanoswords" of Fe-doped titanite are fabricated on a Ti implant surface to resist bacterial invasion by a synergistic action of ferroptosis-like bacteria killing, proton disturbance, and physical puncture. The related antibiosis mechanism is explored by atomic force microscopy and genome sequencing. The nanoswords induce an increased local pH value, which not only weakens the proton motive force, reducing adenosine triphosphate synthesis of Staphylococcus aureus, but also decreases the membrane modulus, making the nanoswords distort and even puncture a bacterial membrane easily. Simultaneously, more Fe ions are taken by bacteria due to increased bacterial membrane permeability, resulting in ferroptosis-like death of bacteria, and this is demonstrated by intracellular iron enrichment, lipid peroxidation, and glutathione depletion. Interestingly, a microenvironment constructed by these nanoswords improves osteoblast behavior in vitro and bone regeneration in vivo. Overall, the nanoswords can induce ferroptosis-like bacterial death without cytotoxicity and have great promise in applications with clinical implants for outstanding antibiosis and biointegration performance.
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