北京納米能源所Nano Energy：壓電光電子學效應提高抗菌和傷口愈合

【引言】

人類史是一部與細菌的斗爭史。過去的幾十年里，每年由細菌引起的傳染性疾病已帶走數百萬人的生命。抗生素類藥物的問世挽救了很多細菌感染的病人，但無論是天然抗生素還是人工合成的抗生素類藥物長期使用會導致細菌的耐藥問題，出現“超級菌”，對人類健康和生態環境都造成了嚴重威脅。納米科技的飛速發展，為解決上述問題提供了新思路。科學家們致力于通過設計區別于抗生素抗菌機理的納米材料來減少耐藥風險。最近，光動力治療（PDT）已被開發為一種微創治療方式，以征服多藥耐藥性細菌。在光的照射下，光敏劑可以產生活性氧自由基（ROS）來破壞細菌。設計高安全性、高活性的光敏劑具有重要意義和臨床應用價值。

【成果簡介】

近日，中科院北京納米能源與系統研究所李琳琳研究員與王中林院士領導的研究團隊，報道了通過壓電效應與表面等離子體共振增強的光催化抗菌，并在Nano Energy上發表了題為“Heterostructured nanorod array with piezophototronic and plasmonic effect for photodynamic bacteria killing and wound healing”的研究論文。第一作者于欣博士和博士生王舒（并列第一作者）等為了提高ROS生成對PDT抗菌的效果，開發了具有納米棒陣列結構的多層同軸異質結構（TiO₂/BaTiO₃/Au）作為抗菌和傷口愈合的涂層。具有局部表面等離子體共振的Au納米粒子不僅擴寬了光譜吸收范圍，而且還增強了光生電子的轉移。同時BaTiO₃的鐵電極化為光致電荷的傳輸提供了驅動力，從而提高了電子-空穴分離效率，進一步促進了ROS生成。他們研究了抗菌薄膜對革蘭氏陰性大腸桿菌和革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌的抗菌效果，抗菌效率達到99.9%。進而通過動物實驗發現，其在模擬太陽光的照射下可以有效促進表層炎癥傷口的愈合，加速受損皮膚的修復和再生，具有明顯的抗菌療效。

【圖文導讀】

圖1 TiO₂/BTO/Au納米陣列的制備與形貌表征

（a）TiO₂/BTO/Au納米棒陣列制備流程圖；

（b-d）TiO₂/BTO/Au納米棒陣列的SEM照片；

（e-g）TiO₂/BTO/Au納米棒陣列的TEM照片；

（h）TiO₂/BTO/Au的元素分布mapping圖。

圖2?材料的結構、價態、親/疏水性及壓電性表征

（a）TiO₂/BTO/Au納米棒陣列的XRD圖；

（b）TiO₂/BTO/Au納米棒陣列Au的XPS能譜圖；

（c）TiO₂/BTO/Au納米棒陣列UV-visible吸收光譜圖；

（d）抗菌薄膜表面接觸角的測量；

（e-h）TiO₂/BTO/Au納米棒陣列壓電力顯微鏡（PFM）的表征。

圖3?模擬太陽光照射下可以提高羥基自由基（?OH）和單線態氧（¹O₂）的產生

（a）用5, 5-dimethyl-1-pyrroline N-oxide (DMPO)作為捕獲劑對光生羥基自由基（?OH）的測量；

（b）用2, 2, 6, 6-tetramethyl-4-piperidine (TEMP)作為捕獲劑對光生單線態氧（¹O₂）的測量；

（c）TiO₂/BTO/Au納米棒陣列的光電轉換效率，表征其光生電子。

圖4 TiO₂/BTO/Au異質結構光動力學性能增強的機理

圖5?體外抗菌的表征

（a-b）抗菌薄膜在溶液中對大腸桿菌（革蘭氏陰性菌）和金黃色葡萄球菌（革蘭氏陽性菌）的殺滅作用；

（c-e）模擬皮膚的殺菌：將菌液滴到抗菌薄膜上，光照一段時間后，觀察其表面的細菌數量。

圖6?抗菌過程對正常小鼠成纖維細胞沒有毒性

（a）光照和（b）黑暗下對小鼠成纖維細胞的毒性測試；

（c）對照組與實驗組抗菌薄膜的細胞活死染色的統計。

圖7體內光動力學治療促進金黃色葡萄球菌感染傷口的愈合

（a）以小鼠為模型進行光動力治療的日期表；

（b）不同階段小鼠傷口的光學照片；

（c）不同階段小鼠的體重變化；

（d-g）實驗組與對照組的小鼠9天后的傷口處的H&E染色和Masson’s trichrome染色。

【小結】

該研究用Au的表面等離子體共振效應拓寬了無機光敏劑的吸收光譜，并利用壓電效應，通過極化中間層的BaTiO₃增強光生載流子的分離，提高活性氧自由基的產生。這項工作首次將壓電效應引入到異質結構中，并利用這種新開發的異質結構進行抗菌和傷口修復。這種新的抗菌和治療方法對壓電效應納米材料在生物醫學上的應用有重要的意義。

文獻鏈接：Heterostructured Nanorod Array with Piezophototronic and Plasmonic Effect for Photodynamic Bacteria Killing and Wound Healing（Nano Energy, 2018, DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.01.033）

通訊作者王中林，中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家和所長，中國科學院大學納米科學與技術學院首任院長。中國科學院外籍院士和歐洲科學院院士，佐治亞理工學院終身校董。佐治亞理工學院終身校董事講席教授，Hightower終身講席教授，工學院杰出講席教授和納米結構表征中心主任。首位中組部 “千人計劃”頂尖千人與團隊入選者，教育部長江學者講座教授。王中林院士是國際公認的納米科技領域領軍人物。在一維氧化物納米結構制備、表征及其在能源技術、電子技術、光電子技術以及生物技術等應用方面均作出了原創性重大貢獻。他發明了納米發電機,并提出了自充電納米結構系統,為微納電子系統的發展開辟了新途徑。他開創了納米結構壓電電子學和壓電光電子學研究的先河，對納米機器人、人-電界面、納米傳感器、醫學診斷及光伏技術的發展具有里程碑意義。已在國際一流刊物上發表超過1400篇期刊論文（其中，《科學》、《自然》、及其子刊40余篇），擁有200項專利，7本專著和20余本編輯書籍和會議文集。他的學術論文已被引用85000次以上。他論文被引用的H因子(h-index)是160。Nano Energy 的發刊主編和現任主編。王中林個人網站。

通訊作者李琳琳，中科院北京納米能源與系統研究所研究員，博士生導師，納米能源與生物傳感課題組負責人。獲2014年中科院盧嘉錫青年人才獎，2015年中科院青年促進會會員。主持國家自然科學基金，北京市自然科學基金等10余項項目。在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Nano Energy、Adv. Funct. Mater.、Small、Biomaterials等期刊發表論文 70余篇，論文共被引用4000余次， H-index為25，獲授權發明專利8項，合著英文專著兩章。李琳琳個人網站。

第一作者于欣，中科院北京納米能源與系統研究所博士生，現為濟南大學前沿交叉科學研究院講師。并列第一作者王舒，現為中科院北京納米能源與系統研究所博士生。

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