四川大學 Adv. Funct. Mater.: 尺寸可變的MOF基納米碳材料用于局部化學光熱殺菌和傷口消毒

【背景介紹】

由病原性細菌引發的嚴重傳染病受到了全世界的廣泛關注。目前，臨床上為了解決致病菌的感染問題而過度的使用抗生素，使得病原體產生了強的耐藥性。因此，迫切需要新型且有效的抗菌材料以減少對抗生素的依賴。雖然目前已開發了多種抗菌材料，但是這類單一殺菌模型的抗菌材料難以實現高效殺菌或接近100％滅菌消毒，并且在殺菌過程中也容易誘導細菌產生耐藥性。根據以往的報道，已用于腫瘤治療的化學光熱療法在殺菌方面具有很大的應用潛力，然而，這也存在相關納米抗菌制劑制備復雜等不足。目前，金屬有機框架（MOFs）已被證明是一類新的多功能納米材料或前體，可以用于制備多功能納米碳材料。基于MOFs的納米碳材料具有高光熱轉換效率、金屬原子易于摻雜和多孔結構的大比表面積等優點。因此，將化學光熱療法和MOFs基納米碳材料的優點結合起來用于滅菌及消毒具有巨大的研究應用價值。

【成果簡介】

近日，四川大學高分子科學與工程學院的程沖研究員/趙長生教授研究團隊及華西醫院的馬朗副研究員聯合報道了一種具有近紅外（NIR）響應和尺寸可變的MOFs基納米碳材料用于殺菌和消毒。作者首先合成了具有化學光熱殺菌能力的MOFs衍生的納米碳。然后涂覆具有熱響應凝膠層以獲得用于細菌捕獲的ON-OFF轉換能力。其中，制備的納米碳在NIR照射下表現出高效的光熱轉換能力以及從納米分散體到微米聚集體的快速尺寸轉變，因而使得納米碳能夠局部產生大量的熱量，并利用摻雜的Zn²⁺以直接破壞細菌膜和細胞內蛋白質。這種納米碳不僅在非常低的劑量下表現出接近100％的殺菌率，而且還表現出與萬古霉素相當的高效且安全的傷口消毒性能。總之，這種新型的納米碳具有強大的局部化學光熱殺菌能力，并且具有很大的潛力用于廣譜殺死病原菌。研究成果以題為“Size-Transformable Metal-Organic Framework–Derived Nanocarbons for Localized Chemo-Photothermal Bacterial Ablation and Wound Disinfection”發表在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上，碩士生楊曄和鄧伊依為共同第一作者。

【圖文解讀】

圖一、ZnO-CNP-TRGL的合成與表征
（a）ZnO-CNP-TRGL合成方法的示意圖；

（b）ZnO-CNP-TRGL的高分辨率TEM照片；

（c）ZnO-CNP-TRGL的HAADF-STEM照片和EDS元素分布；

（d）ZIF-8、ZnO-CNP和ZnOCNP-TRGL的SEM照片；

（e）純ZnO、ZIF-8和ZnO-CNP-TRGL的XRD圖譜；

（f）ZnO-CNP-TRGL的XPS全譜；

（g, h）ZnO-CNP-TRGL的C1s和N1s分譜。

圖二、不同尺寸納米碳的光熱轉換能力、Zn²⁺釋放能力和細胞毒性
（a, b）光熱圖像（a）和（b）對照介質ZnO-CNP-TRGL的懸浮液的溫度曲線；

（c）在不同功率密度下樣品的溫度變化；

（d, e）（d）12 h和（e）21 d內從ZnO-CNP-TRGL釋放累積的Zn²⁺；

（f）不同濃度的ZnO-CNP-TRGL的CCK-8測定；

（g）人臍靜脈內皮細胞（HUVEC）和用ZnO-CNP-TRGL孵育的HUVEC的活死染色圖;

（h, i）用于在不同粒徑（h）和不同劑量（h）下與ZnO-CNP-TRGL孵育的HUVEC的活死細胞數。

圖三、納米碳的光熱觸發尺寸轉變
（a, b）在NIR照射前后的ZnO-CNP-TRGL溶液的光學顯微鏡照片；

（c）親水性分散和疏水性微米聚集的ZnO-CNP-TRGL尺寸轉變的圖，LCST是較低的臨界溶解溫度；

（d, e）在NIR照射前分散ZnO-CNP-TRGL和在NIR照射后聚集ZnO-CNP-TRGL的TEM照片；

（g, f）在NIR照射前后的ZnO-CNP-TRG的DLS數據；

（h）ZnO-CNP和ZnO-CNP-TRGL的尺寸隨溫度的變化而變化。

圖四、光熱誘導的納米碳細菌聚集
（a, b）在NIR照射5 min前后，ZnO-CNP-TRGL孵育金黃色葡萄球菌后的TEM照片；

（c）溫度變化期間金黃色葡萄球菌的細菌存活率百分比；

（d-f）金黃色葡萄球菌的活/死熒光圖像在（d）25 ℃、（e）40 ℃和（f）57 ℃；

（g, h）在NIR照射5 min前后，用ZnO-CNP-TRGL孵育大腸桿菌的TEM照片；

（i）溫度變化期間大腸桿菌的細菌存活率百分比;

（j-I）大腸桿菌的活/死熒光圖像在（j）25 ℃、（k）40 ℃和（I）57 ℃。

圖五、局部產生大量的熱和Zn²⁺離子的釋放
（a）ZnO-CNP-TRGL納米碳的抗菌機理示意圖；

（b）在NIR照射前后與納米碳共培養的細菌切片的TEM圖和相應的EDS圖；

（c）納米碳細菌聚集的SEM圖和相應的EDS圖。

圖六、納米碳的體外光熱抗菌活性
（a）研究ZnO-CNP-TRGL的抗菌機理的不同實驗組；

（b, c）瓊脂平板照片和如（b）中所述在不同條件下處理的金黃色葡萄球菌的OD₆₀₀值；

（d）ZnO-CNP-TRGL在不同條件下的抗菌效果；

（e）不同功率密度下，100%殺死金黃色葡萄球菌的照射時間。

圖七、傷口消毒和愈合的體內評估
（a）組合ZnO-CNP-TRGL和NIR治療感染的膿腫的示意圖；

（b）在ZnO-CNP-TRGL處理期間兔膿腫的熱圖；

（c）scab的SEM圖像和EDS元素分布。

圖八、對膿腫的治療效果評估
（a）1天、1周和2周后金黃色葡萄球菌感染膿腫照片；

（b）不同處理后膿腫的大小變化；

（c）從瓊脂平板計數的活金黃色葡萄球菌數量，在第1天的不同處理后細菌被吸入膿腫。

圖九、組織切片
（a）2周后用不同處理的皮膚組織的H＆E染色圖像；

（b）2周后兔的重要臟器組織切片的H＆E染色圖像。

【總結】

綜上所述，作者成功合成了具有NIR響應和尺寸可變的MOFs基納米碳材料以用于快速、安全和協同的化學光熱療法殺菌和傷口消毒。制備的ZnO-CNP-TRGL不僅具有較高的光熱轉換效率和逐漸釋放Zn²⁺離子的能力，而且在NIR照射下還具有從納米分散體到微米聚集體的快速尺寸轉變，是具有ON-OFF切換功能的智能納米制劑，可實現快速和可控的殺滅細菌。這些獨特的物理化學特性使得該納米碳能夠原位黏附和包裹細菌，形成聚集體并持續產生大量的熱，以及釋放Zn²⁺直接破壞細菌膜和細胞內蛋白質以增強化學光熱抗菌性能。實驗結果表明這些納米碳不僅在極低劑量下具有接近100％的殺菌率，而且還具有高效且安全的皮膚傷口消毒能力。總之，這種新型尺寸可轉變的抗菌納米碳具有強大的局部化學光熱殺菌和消毒能力，并具有很大的潛力用于廣譜的殺死致病菌。

四川大學高分子學院程沖研究員及趙長生教授研究團隊長期致力于設計有機-無機雜化的先進低維功能材料及開發其在生物醫藥、血液凈化、及電化學催化等領域的應用，特別是基于納米碳材料及新型配位聚合物等的微納米結構設計、功能調控、大規模制備、及前沿應用開發。研究團隊目前已經與國內外十余個實驗室開展了密切交流合作。近年來在智能納米制劑（Adv. Funct. Mater., 2019, 28, 1900143; Nano Today,?2019, https://doi.org/10.1016/j.nantod.2019.03.003; Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1705708; Acta Biomater. 2017, 51, 479）、石墨烯基復合生物材料（Chem. Rev., 2017, 117, 1826; Adv. Mater., 2018, 30, 1705452; ACS Appl. Mater. & Interfaces, 2018, 10, 296）、以及金屬有機框架和雜原子參雜的多孔碳催化材料（Adv. Mater., 2018, 30, 1802669; Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1807419.）等領域做了系統深入的研究，并取得了一系列重要研究成果。
該工作得到了國家自然科學基金委，科技部重點研發專項，海外高層次人才引進“青年千人”計劃，洪堡基金會，國家留學基金委等基金的資助與支持。

文獻鏈接：Size-Transformable Metal-Organic Framework-Derived Nanocarbons for Localized Chemo-Photothermal Bacterial Ablation and Wound Disinfection（Adv. Funct. Mater., 2019, DOI:10.1002/adfm.201900143）

通訊作者簡介

程沖研究員：主要從事有機無機雜化的先進低維功能材料在生物醫藥及能源催化領域的應用，特別是基于新型配位聚合物的微納米結構設計，功能調控，大規模制備，及前沿應用開發。第十五批國家中組部“青年千人計劃”及四川大學“雙百人才工程”計劃入選者、洪堡學者、DRS Point學者，2019年加入四川大學高分子學院材料系并成立先進低維材料實驗室。迄今為止，在包括Chem. Rev., Adv. Mater., Nano Today, Nano Lett., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces, Acta Biomater., ACS Macro Lett., Biomacromolecules等材料、高分子、生物醫學領域的國際主流期刊上發表SCI論文近80篇，論文總引用達3500余次，H-index為34。2015年被評為英國皇家化學會高被引作者 (top 1%)。

趙長生教授：主要從事生物醫用高分子膜材料，及功能高分子材料的研究。在生物材料、高分子化學與材料表面改性領域有豐富的研究經驗。享受政府特殊津貼，國務院第七屆學科評議組成員，中國生物材料學會常務理事，教育部高分子材料專業教指委委員，中國工程教育認證協會材料類專委會委員，高分子材料專業及復合材料專業召集人。2005年教育部“新世紀優秀人才支持計劃”入選者。2012年國家杰出青年科學基金獲得者。2014年獲得國家科技進步二等獎。2016年獲中組部“萬人計劃”-中青年科技創新領軍人才。承擔1個國家攻關課題、9個國家自然科學基金項目（包括1個基金重點項目和杰出青年科學基金項目）等多個橫向縱向研究課題。申請中國發明專利19項，其中授權15項，轉讓7項。在Progress in Materials Science, Progress in Polymer Science, Nano Today, Nano Letters, Advanced Functional Materials, Biomaterials, Journal of Materials Chemistry A/B, Biomacromolecules, ACS Applied Materials & Interfaces, ACS Macro Letters, Journal of Membrane Science等國際重要期刊上發表SCI論文200余篇，SCI他引5000余次。

馬朗副研究員：主要集中在納米酶的合成和仿細胞結構的設計方向，并結合聲動力治療等技術應用于類風濕關節炎、皮膚黑色素瘤和抗菌等研究領域。目前為四川大學華西醫院超聲影像藥物研究室副研究員，已陸續在Nano Today, Adv. Mater., Nano Lett., Adv. Funct. Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces, Acta Biomaterialia, ACS Macro Lett., Biomacromolecules等材料、高分子、生物醫學領域的國際主流期刊上發表SCI論文40余篇，論文總引用達1500余次，H-index為24，申請和授權專利3項。

本文由材料人CQR編譯。

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