中科院北京纳米能源所李琳琳/孙其君《Nano Today》：压电材料声动力学实现抗菌与促进伤口修复
高分子科学前沿 今天
声动力治疗（Sonodynamic therapy, SDT）作为一种新型的无创治疗手段，利用超声波激活声敏剂产生活性氧（ROS），引起细胞氧化损伤和死亡。与光动力疗法相比，SDT对生物组织的穿透能力更强，并具有无创，副作用小，操作简便等优势, 已经在肿瘤、感染性疾病、动脉粥样硬化等的治疗上展示出有潜在的临床应用价值。但是目前，高性能的声敏剂仍非常匮乏。研发具有高声敏活性的新型声敏剂是SDT技术发展的重要挑战。压电材料凭借其独特的压电效应，已经在能源收集、压电催化、可植入生物传感等方面取得了长足进展。2018年，中科院北京纳米能源所李琳琳课题组与王中林院士课题组合作，首次利用钛酸钡异质结构的压电光电子学效应，促进光生载流子分离和催化效率，实现了高效的光动力学抗菌并促进组织修复（Nano Energy 2018, 46, 29-38）。近日，中科院北京纳米能源所李琳琳课题组和孙其君课题组合作取得了新进展，将具有肖特基型异质结结构的金@钛酸钡压电复合纳米材料应用于超声动力学抗菌和促进伤口修复。这一工作基于压电电子学原理，通过构建钛酸钡纳米材料与金纳米颗粒形成肖特基结，在超声波的机械力作用下，钛酸钡纳米颗粒发生机械形变，产生电子-空穴对并通过与金颗粒之间的肖特基势垒增强电荷载流子的分离与迁移，进一步与水分子和氧气分子发生氧化还原反应，生成羟基自由基和单线态氧，达到抗菌效果的同时，能够促进成纤维细胞和巨噬细胞的迁移，促进感染伤口的修复，为声动力学治疗领域提供了新的思路。该研究以”Piezoelectric nanocomposites for sonodynamic bacterial elimination and wound healing”为题发表在Nano today上（ Nano Today, 2021, 37, 101104），硕士生吴梦奇和张泽宇为并列第一作者，李琳琳研究员和孙其君研究员为共同通讯作者。首先制备了负载金纳米颗粒的钛酸钡纳米立方体（Au@BTO NCs），作为一种新型声敏剂，用于声动力杀菌和促进伤口愈合，提出了相应的声动力治疗机制。金纳米颗粒的负载显著增加了Au@BTO NCs在超声波刺激下产生ROS的能力。Au@BTO NCs在体外和体内都表现出出色的抗菌性能，同时还能够促进成纤维细胞的迁移提高了伤口愈合能力。图1 压电纳米复合材料Au@BTO的（a）制备及其声敏性的机理图，（b）声动力杀菌和（c）伤口愈合示意图金纳米颗粒成功负载在BTO立方体表面,在XRD图像中，位于45.0º 和45.4º处的劈裂峰分别代表四方相BTO的（0 0 2）和（2 0 0）晶面，表明BTO纳米立方体具有铁电/压电特性。图2 Au@BTO NCs的（a）SEM，（b）TEM，（c）HRTEM和（d）EDX图像，（e）沿（d）中的红线的线扫元素分布，（f）Au@BTO和BTO的XRD图像，插图为红色虚线圆圈处的放大图像在超声波的作用下，能够同时产生羟基自由基和单线态氧。与未负载金颗粒的钛酸钡（BTO）相比，Au@BTO能够产生更多的ROS。通过对特异性探针的检测和ESR分析，超声后Au@BTO产生的·OH和1O2均高于BTO。这是因为压电效应降低了与Au接触时BTO的能级，促进激发电子从Au向BTO迁移，抑制电子空穴对的复合，从而促进了ROS的产生。图3 Au@BTO NCs的声敏特性。反映·OH生成的（a）荧光光谱和（b）在426nm处的荧光强度，反映1O2生成的（c）DPBF吸收光谱和（d）DPBF分解速率常数，（e）·OH和（f）1O2的ESR图谱。体外试验中，声动力学治疗对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均具有较好的抗菌效果。. 超声4分钟时，Au@BTO对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌效率分别达到99.23%和99.94%。图4 Au@BTO对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的体外声动力抗菌作用。（a）CFU，（b）细菌存活率，（c）蛋白泄露检测，（d）活死染图像和定量分析，以及（e）细菌的SEM图像，红色箭头代表细菌形貌的变化，黄色箭头代表细菌上附着的纳米材料对感染金黄色葡萄球菌的小鼠伤口进行治疗时，声动力学治疗组的小鼠伤口愈合速率最快，治疗第13天的伤口基本愈合，H&E染色图像显示该组小鼠在治疗结束后具有完整的表皮层和新生毛囊，而对照组小鼠仍有明显的疤痕和炎症细胞浸润。与对照组相比，声动力学治疗组小鼠的胶原沉积增加了1.8倍，CD31标记的血管生成增加了2.3倍。图5 Au@BTO对具有金球菌感染伤口的小鼠模型的体内声动力抗菌。（a）实验方案，（b）治疗期间伤口的代表性照片，（c）第-1天至第13天小鼠的相对伤口面积，（d）体重变化，（e）H&E染色，（f）Masson染色，（g）免疫组化染色，（h）胶原蛋白体积分数和（i）CD31标记结构的定量分析而且，对模拟深层感染伤口的小鼠治疗时，声动力学治疗仍表现出优异的抗菌和促进伤口愈合的性能，体现出声动力学方法组织穿透深的优势。此外，对未经感染的伤口，声动力学治疗仍表现出良好的促进伤口修复的性能。研究发现，声动力学过程促进了成纤维细胞和巨噬细胞的迁移。这表明声动力学治疗不仅具有优异的杀菌性能，同时能够通过促进成纤维细胞和巨噬细胞的迁移，共同促进伤口愈合。图6 深部伤口小鼠模型的（a）代表性照片，（b）相对伤口面积，（c）体重变化。未细菌感染小鼠模型的（d）代表性照片，（e）相对伤口面积，（f）体重变化。在实验结束时针对（g）具有模拟深层伤口的小鼠和（h）具有未细菌感染伤口的小鼠收集的原始伤口周围区域对真皮组织切片进行了Masson染色。（j）划痕实验中获得的NIH-3T3细胞迁移的代表性图像。https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013221000293声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
