原创Wang YR 抗菌科技圈

第一作者： Ziyou Wang, Bingwen Du

通讯作者： 邓怡, 梁坤能

通讯单位： 四川大学

研究速览：

近期，邓怡老师和梁坤能副教授在Nano Today上发表了具有强化光子消毒的内源性释放氧气的生物催化织物用于入侵细菌引起的难治性皮肤再生的研究工作，侵袭性细菌感染干扰皮肤再生过程中愈合级联的正常协调过程。深部感染微环境（IME）中的缺氧情况严重阻碍了光子消毒效果，尤其是抗菌光动力疗法（aPDT）。在本文开发了由静电纺丝聚（ε-己内酯）支架、MXene/SnS2生物异质结（MX/SnS-bio-HJs）和乳酸氧化酶（LOx）组成的解锁感染微环境的氧释放生物催化织物，用于深层细菌感染的皮肤再生。LOx可消耗感染部位细菌产生的乳酸，并产生过氧化氢（H2O2）。MX/SnS生物异质结不仅催化H2O2通过类Fenton反应生成羟基自由基（·OH），而且在近红外（NIR）光照射下生成氧气（O2）以增强aPDT，从而实现快速消毒。此外，体内实验结果表明，生物催化织物通过杀灭细菌、促进止血和胶原沉积发挥良性皮肤再生能力。这项工作提供了一种策略，通过内源性O2释放，向织物注入解锁感染微环境催化杀菌的能力，以修复感染伤口。

要点分析：

要点一：本文设计了用作伤口敷料的解锁细菌感染微环境的生物催化织物，其由电纺聚（ε-己内酯）（PCL）织物、MXene/SnS2生物异质结（bio-HJ）和乳酸氧化酶（Lox）组成，以通过感染诱导伤口再生的原位O2释放实现协同CDT/PDT/PTT治疗。

要点二：LOx催化感染微环境中的乳酸原位生成H2O2。Sn2+/Sn4+通过类似芬顿的反应将H2O2催化成·OH，并与H2O2相互作用以产生O2。MX/SnS生物异质结在近红外辐射下也表现出协同光化学动力学模式，并且由于上述产生的O2，CDT和PDT效应增强，产生优异的杀菌效果。

图文导读

图1.（a）P-MX/SnS@LOx生物催化织物的制备步骤和工艺示意图。（b）P-MX/SnS@LOx织物的抗菌机制及诱导皮肤再生。

图2. MXene/SnS2生物异质结的表征：（a）SEM，（b）TEM和（c）少数层状MXene纳米片的AFM。（d）MX/SnS生物异质结的SEM、（e）TEM、（f）HRTEM图像和（g）EDS分析。（h） MXene、SnS2和MX/SnS生物异质结的拉曼光谱、（i）XRD和（j）FTIR图谱。

图3. 含MX/SnS生物异质结的静电纺丝织物的表征：（a）PCL、（b）P-MX/SnS和（c）P-MX/SnS@LOx纤维支架的SEM。（d）P-MX /SnS@LOx的EDS.（e）PCL和P-MX/SnS@LOx全光谱的XPS研究和（f）C1 s、（g）O 1s和（h）Sn 3d光谱。

图4. 生物催化剂织物的光动力学性能：（a）UV-vis DRS，（b）荧光发射光谱和（c）MXene和MX/SnS生物异质结的光电流曲线。（d）甲基溴与·OH的反应机理及在PCL和P-MX/SnS@LOx近红外辐射下甲基溴还原的吸收光谱（e）不含乳酸和（f）含乳酸。（g） DPBF与1O2的反应机理及PCL和P-MX/SnS@LOx近红外辐射下DPBF消耗的吸收光谱（h）不含乳酸和（i）含乳酸。（j）添加乳酸后的O2生成。（k）1O2、（l）·OH的ESR谱。（m）MX/SnS生物异质结的PDT效应机制示意图。

图5. 生物催化织物的光热效应：在1.5W激光功率下（a）P-MX/SnS、P-SnS、P-MX/SnS@LOx的光热曲线。（b）在0.5W、1.0W和1.5W激光功率下，P-MX/SnS@LOx的光热加热曲线。（c）P-MX/SnS@LOx的光热循环.（d）根据（a）的样品的热图像。（e）光热机制示意图。

图6. Ti3C2Tx/SnS2生物异质结的DFT计算：沿（a）Ti3C2F2/SnS2和（b）Ti3C2（OH）2/SnS2界面z轴的静电势。（b）Ti3C2F2/SnS2和（e）Ti3C2（OH）2/SnS2界面的投影态密度（PDO），以及（c）Ti3C2O2/SnS2和（f）Ti3C 2（OH）2/SnS2界面的能带结构；费米能级被设置为0 eV。Ti3C2F2/SnS2（g）和Ti3C2（OH）2/SnS2（i）界面的微分电荷密度以及沿Z方向平面平均微分电荷密度∆ρ。氧在（h）Ti3C2F2/SnS2和（j）Ti3C2（OH）2/SnS2界面上的吸附构型。

图7. 生物催化织物的体外抗菌能力：（a）不同织物处理的金黄色葡萄球菌菌落图像。（b）金黄色葡萄球菌相应的存活率。（c） 用不同织物处理的大肠杆菌菌落的图像。（d） 大肠杆菌的相应存活率。（e）近红外光下的接触PCL和P-MX/SnS@LOx织物后细菌（金黄色葡萄球菌和大肠杆菌）的TEM图像。（f）在黑暗或近红外光照射下，通过SEM表征金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的微观形态。

图8.生物催化织物的抗生物膜特性：（a）金黄色葡萄球菌生物膜的CV染色图像。（b） 不同处理后CV染色中生物膜生物量的定量结果。（c）不同处理后金黄色葡萄球菌生物膜的CLSM图像。

图9.PCL、P-MX/SnS和P-MX/SnS@LOx生物催化织物的生物相容性评估：（a）不同样品上培养的L929细胞的SEM形貌和（b）CLSM图像。（c）在黑暗中处理1、3和5天的L929的细胞活性。（d）在近红外辐射下处理1、3和5天的L929的细胞活性。

图10.体内抗感染评估和伤口愈合评估：（a）建立皮肤感染动物模型和治疗过程示意图。（b） 细菌菌落和细菌混浊液体的图像。（c）用不同织物处理的小鼠感染伤口的伤口区域照片和（f）定量伤口愈合区域评估。（d）伤口区域的实时热图像。（e）PCL和P-MX/SnS@LOx织物的止血试验和附着在织物上的血小板的相应SEM图像。

图11.组织病理学图像和分析显示伤口愈合和组织再生：（a）不同组治疗7天后伤口区域的H&E染色。（b）用织物处理的伤口区域的Masson三色染色。（c）不同组TNF-α的免疫组化图像。（d）不同组VEGF的免疫荧光图像。（e）各组治疗7天后的上皮厚度。（f）各组中性粒细胞的相对百分比。（g）胶原体积分数和（h）VEGF和（i）TNF-α百分比的相应定量分析。

结论

皮肤作为一种表面屏障，保护人体的器官和组织免受病原微生物的攻击。为了治疗细菌引起的伤口感染，抗生素在临床上得到广泛应用。但是，抗生素的过度使用和滥用导致抗生素耐药和抗生素耐药基因的出现，最终可能导致慢性伤口的发生。然而，很多生物材料只有单一的抗菌模式，这也会导致细菌耐药性。因此，有必要设计一种具有高效杀菌能力和生物相容性的无药物敷料，以有效解决细菌感染和促进伤口修复问题。

1. 本文成功地制备了一种有效且不受时间限制的生物催化织物（P-MX/SnS@LOx），该织物可产生O2并整合CDT/PDT/PTT用于细菌感染的伤口治疗。
2. P-MX/SnS@LOx生物催化织物具有良好的生物相容性，通过促进止血、减少炎症反应、促进胶原沉积和血管生成来加速伤口愈合。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.nantod.2022.101595

参考文献：Ziyou Wang1, Bingwen Dua1, Xiangyu Gao, Yiling Huang, Meng Lia, Zhaohan Yua, Jiyao Li, Xiuyuan Shi, Yi Deng*, Kunneng Liang*. Endogenous oxygen-evolving bio-catalytic fabrics with fortified photonic disinfection for invasive bacteria-caused refractory cutaneous regeneration. Nano Today 2022, 46, 101595.

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