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胺键连接杂孔COF用于骨髓炎协同抗感染

摘要
国家纳米科学中心韩宝航、丁雪松、查瑞涛团队和首都医科大学北京同仁医院，安徽医科大学团队，兰州大学王凯荣团队联合在Nat. Commun. 2026发表研究，采用还原胺化策略制备耐酸性胺键杂孔ARCOF治疗骨髓炎感染。该材料保留完整双亲水杂孔通道，可分别负载万古霉素与抗生物膜非洛地平，复合磷酸钙骨水泥后能在炎症酸性环境下实现240 h长效双药缓释。

研究背景
1. 临床难题
创伤后骨髓炎（PTO）占骨髓炎病例80%以上，致病菌以耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）为主。细菌易在骨面形成致密生物膜，阻挡抗生素渗透；病灶pH仅5.5呈强酸性，传统亚胺键COF、磷酸钙骨水泥载体易水解，药物突释无法维持有效抑菌浓度；全身大剂量抗生素易诱发耐药与脏器毒副作用，手术清创残留细菌极易复发感染，现有治疗手段存在显著短板。
2. 现有学方案
1) 临床主流采用磷酸钙骨水泥（CPC）负载单抗生素局部给药，但载体耐酸性差，药物72 h内完全释放，无法长期抑菌；
2) 现有双亲杂孔亚胺COF可分区负载双药，实现协同抗菌，但骨架亚胺键在酸性炎症环境快速水解坍塌，孔隙结构丧失，长效释药能力失效；
3) 学界通过后合成修饰将亚胺COF转化为酰胺、胺键结构提升稳定性，但该类稳定COF极少用于骨科感染药物递送，双药协同抗生物膜体系尚未开发。
3. 本文创新
1) 采用硼氢化钠还原胺化法，将不稳定亚胺键杂孔COF转化为胺键型ARCOF，在保留原有杂孔拓扑结构、结晶度的基础上大幅提升耐酸性；
2) 依托ARCOF亲水/疏水分区杂孔，实现万古霉素（亲水通道）、非洛地平（疏水通道）分区共负载，利用非洛地平抑制ClpP蛋白酶破坏生物膜，与万古霉素产生协同抗菌效果；

实验部分
1. ARCOF材料合成
1) 先溶剂热法合成双亲杂孔DEG-HEP-COF：卟啉二胺与两亲醛单体在邻二氯苯/乙醇体系、乙酸催化120 ℃密封反应72 h，洗涤真空干燥得到亚胺基杂孔COF；
2) 再以邻苯二甲酸为助剂、甲醇为溶剂，低温-15 ℃下硼氢化钠还原1 h，室温搅拌10 h完成亚胺向仲胺键转化，索氏提取纯化得到ARCOF。
3) 对照样DEG-HEP-COF在pH5.5酸性液浸泡12天比表面积暴跌，ARCOF孔隙、结晶度维持稳定。
2. 双药负载与骨水泥复合
1) 分别配置0.5%~2%（w/v）万古霉素水溶液、非洛地平DMSO溶液，依次与ARCOF搅拌24 h实现分区共负载，随药物浓度提升，万古霉素负载率最高35.9%，非洛地平最高24.5%；
2) 将载药ARCOF与CPC复配，筛选2 wt%为最优添加比例，3%及以上会大幅缩短固化时间、压缩强度低于临床标准10 MPa。
3. 体外抗菌实验
选取金黄色葡萄球菌、MRSA、表皮葡萄球菌、肺炎链球菌四种致病菌，测定24 h细菌生长曲线与菌落计数；证实双药共载组生物膜清除效率超90%，远高于单药组。
4. 大鼠骨髓炎治疗
SD大鼠胫骨钻孔接种MRSA构建感染模型，植入不同配方骨水泥复合材料，饲养14天后取材检测骨与骨髓细菌载量、血常规炎症指标，Micro-CT定量骨修复参数，H&E、Giemsa、免疫组化染色评估炎症与骨缺损愈合。
5. 生物安全性评价
将系列复合材料与HUVEC、骨髓间充质干细胞共培养48 h，CCK-8、活死染色评价细胞毒性；溶血实验验证血液相容性，大鼠脏器切片评估体内长期生物毒性。

分析测试
1. 结构表征
1) 还原后ARCOF该峰基本消失，1605 cm⁻¹出现仲胺C-N-H弯曲振动峰，直接证明胺键成功构建。
2) 酸性浸泡全过程中，ARCOF衍射峰强度衰减幅度远小于DEG-HEP-COF，证明胺键骨架大幅提升酸性环境下结晶稳定性。
3) DEG-HEP-COF的N 1s结合能398.68 eV，还原后ARCOF偏移至399.18 eV，氮原子化学环境改变，佐证亚胺键还原为胺键。
2. 吸附与孔隙
原始DEG-HEP-COF初始比表面积1000 m²/g；pH5.5酸性浸泡12天后仅剩余40 m²/g。ARCOF初始比表面积960 m²/g，浸泡12天后仍保留450 m²/g，完整维持多孔结构。
3. 体外药物释放紫外定量测试
pH5.5模拟炎症液中，CPC@DEG-HEP-COF体系72 h内万古霉素释放92.5%、非洛地平84.4%，快速突释；CPC@ARCOF@Van&Fel可持续释放240 h，最终累积释放万古霉素94.8%、非洛地平85.5%，长效缓释性能显著突破传统载体。

机理分析
1. ARCOF耐酸性稳定机理
传统亚胺键C=N易在酸性条件下质子化水解；经NaBH₄还原后转化为饱和仲胺C-N键，无双键质子化位点，化学键耐水解能力大幅提升。同时还原过程未破坏原有两亲杂孔拓扑骨架，保留亲水/疏水分区孔道，为双药分区负载提供结构基础。
2. 双药协同抗生物膜、抗菌机理
疏水孔道负载的非洛地平可特异性结合细菌ClpP蛋白酶，瓦解MRSA生物膜致密基质，消除抗生素渗透屏障；亲水孔道负载万古霉素穿透裸露菌体细胞壁发挥杀菌作用，二者协同大幅降低活菌数量。
3. 骨修复抗炎调控机理
CPC@ARCOF@Van&Fel体系持续清除病灶细菌，大幅降低TNF-α促炎因子表达、上调IL-10抗炎因子，抑制巨噬细胞过度活化，改善骨缺损局部炎症微环境，为骨髓间充质干细胞成骨分化创造条件，加速骨组织再生。

总结
1. 该研究通过还原胺化制备出耐酸性胺键杂孔ARCOF，解决了传统亚胺COF在炎症酸性环境易降解、无法长效载药的缺陷。
2. 利用材料两亲分区杂孔实现万古霉素、非洛地平双药共负载，与临床磷酸钙骨水泥复合后构建一体化局部给药体系。体外实验证实复合材料具备优异广谱抗菌、MRSA生物膜清除能力。

文章标题：Amine-linked heteroporous covalent organic framework for synergistic anti-infective therapy of post-traumatic osteomyelitis
文章作者：Saisai Ge, Xiaobin Chen*, Pai Zhang, Yubo Dong, Wenyan Ji, Yuan-Zhe Cheng, Zhaopeng Wang, Shuaihao Zhang, Guiyang Zhang*, Xuesong Ding*, Kairong Wang*, Bao-Hang Han*, Ruitao Cha*
DOI：10.1038/s41467-026-75796-x
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-75796-x

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本Nat. Commun. 研究开发还原胺化改性耐酸性杂孔COF载体，可分区负载双药并与骨水泥复合，长效释放药物破坏MRSA生物膜，在大鼠骨髓炎模型中实现高效抑菌、缓解炎症、促进骨修复，为骨科感染临床治疗提供新型生物材料。