Surface-Confined Piezocatalysis Inspired by ROS Generation of Mitochondria Respiratory Chain for Ultrasound-Driven Noninvasive Elimination of Implant Infection

材料科学 生物相容性 植入 生物医学工程 活性氧 声动力疗法 离体 纳米技术 再生医学 根管 体内 医学 干细胞 细胞生物学 牙科 生物 外科 生物技术 冶金
作者
Wenxiu Xu,Yang Yu,Kai Li,Lanbo Shen,Xiaoyi Liu,Yi Chen,Junkun Feng,Wenjun Wang,Weiwei Zhao,Jinlong Shao,Baojin Ma,Junling Wu,Shaohua Ge,Hong Liu,Jianhua Li
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (10): 9415-9428 被引量:55
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c01480
摘要

Implant-associated infections (IAI) are great challenges to medical healthcare and human wellness, yet current clinical treatments are limited to the use of antibiotics and physical removal of infected tissue or the implant. Inspired by the protein/membrane complex structure and its generation of reactive oxygen species in the mitochondria respiration process of immune cells during bacteria invasion, we herein propose a metal/piezoelectric nanostructure embedded on the polymer implant surface to achieve efficient piezocatalysis for combating IAI. The piezoelectricity-enabled local electron discharge and the induced oxidative stress generated at the implant-bacteria interface can efficiently inhibit the activity of the attachedStaphylococcus aureusby cell membrane disruption and sugar energy exhaustion, possess high biocompatibility, and eliminate the subcutaneous infection by simply applying the ultrasound stimulation. For further demonstration, the treatment of root canal reinfection with simplified procedures has been achieved by using piezoelectric gutta-percha implanted in ex vivo human teeth. This surface-confined piezocatalysis antibacterial strategy, which takes advantage of the limited infection interspace, easiness of polymer processing, and noninvasiveness of sonodynamic therapy, has potential applications in IAI treatment.
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