SrTiO3 Nanotube-Based “Pneumatic Nanocannon” for On-Demand Delivery of Antibacterial and Sustained Osseointegration Enhancement

骨整合 涂层 材料科学 表面改性 生物医学工程 壳聚糖 生物高聚物 纳米技术 植入 化学工程 化学 复合材料 聚合物 外科 医学 有机化学 工程类 冶金
作者
Kun Wang,Mingze Gao,Juncheng Fan,Jingjing Huo,Pengxiang Liu,Rui Ding,Peng Li
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (24): 16011-16026 被引量:32
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c04478
摘要

Infection and aseptic loosening caused by bacteria and poor osseointegration remain serious challenges for orthopedic implants. The advanced surface modification of implants is an effective strategy for addressing these challenges. This study presents a “pneumatic nanocannon” coating for titanium orthopedic implants to achieve on-demand release of antibacterial and sustained release of osteogenic agents. SrTiO3 nanotubes (SrNT) were constructed on the surface of Ti implants as “cannon barrel,” the “cannonball” (antibiotic) and “propellant” (NH4HCO3) were codeposited into SrNT with assistance of mussel-inspired copolymerization of dopamine and subsequently sealed by a layer of polydopamine. The encapsulated NH4HCO3 within the nanotubes could be thermally decomposed into gases under near-infrared irradiation, propelling the on-demand delivery of antibiotics. This coating demonstrated significant efficacy in eliminating typical pathogenic bacteria both in planktonic and biofilm forms. Additionally, this coating exhibited a continuous release of strontium ions, which significantly enhanced the osteogenic differentiation of preosteoblasts. In an implant-associated infection rat model, this coating demonstrated substantial antibacterial efficiency (>99%) and significant promotion of osseointegration, along with alleviated postoperative inflammation. This pneumatic nanocannon coating presents a promising approach to achieving on-demand infection inhibition and sustained osseointegration enhancement for titanium orthopedic implants.
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