深圳市龙华妇幼保健院刘亚楠/暨南大学刘杰教授CEJ：氧缺陷Bi2MoO6@sRuO2@HA异质结光催化治疗耐药细菌感染

第一作者：Yonglan Yang, Qianyu Cai

通讯作者：刘亚楠 刘杰

通讯单位：深圳市龙华妇幼保健院 暨南大学

研究速览：

抗菌光催化疗法（APCT）是一种很有前途的治疗细菌感染的治疗策略，但面临光利用效率低、活性氧（ROS）生成不足、抗菌疗效有限等挑战。作者构建了一种新的 Bi₂MoO₆@sRuO₂@HA 异质结（BMOsRH异质结）来解决这些限制。该异质结的关键创新在于引入了 sRuO₂，为 Bi₂MoO₆ 中分离的电子和空穴提供了有效的电荷载流子转移界面，显著延迟了电子-空穴复合，促进了产生剧毒 ROS 的氧化还原反应，从而增强了抗菌效果。密度泛函理论（DFT）计算表明，BMOsRH 具有由近红外光吸收、缺陷和异质结三倍增强的光催化活性。因此，在近红外光和过氧化氢的联合作用下，BMOsRH 对大肠杆菌（E.coli）和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）表现出近100%的抗菌活性，并且还可以破坏它们的生物膜。此外，在MRSA感染的小鼠伤口和脓肿模型中，BMOsRH 通过温和的光热疗法有效消除细菌，并显著下调炎症因子IL-1β和TNF-α，促进伤口快速愈合。总之，这种光控治疗策略显示出巨大的抗菌应用潜力。

要点分析：

要点一：构建了一种新型的 BMOsRH 异质结，通过引入sRuO₂，提高了Bi₂MoO₆中电子和空穴的分离效率，显著延缓了电子-空穴复合，促进了ROS的生成，增强了抗菌效果。    

要点二：利用密度泛函理论（DFT）计算表明，BMOsRH在近红外光吸收、缺陷和异质结构方面具有三重增强的光催化活性。

要点三：BMOsRH 异质结在体外和体内均表现出优异的抗菌活性，并可以促进伤口愈合。同时，BMOsRH 异质结具有良好的生物安全性，无毒副作用。

图文导读    

方案1. （A） BMOsRH 异质结合成示意图。（B） 光催化诱导 ROS 生成示意图。（C）  BMOsRH 异质结促进 MRSA 感染伤口愈合的过程示意图。

图1. （A） BMO、sRuO₂ 和 BMOsR 异质结的 TEM 图像。（B） XRD 图谱。（C） BMOsRH 的 XPS 全谱。（D） Bi 4f、（E） Mo 3d 和 （F） Ru 3d 的高分辨率 XPS 光谱。（G） Zeta 电位图。（H） BMOsR 和 BMOsRH 的红外频谱图。 

图2. （A） 不同材料的温度变化。（B） 不同功率下 BMOsRH 异质结的温度变化。（C） 不同浓度下 BMOsRH 异质结的温度变化。（D） 实时热成像图像。（E） 用于检测 ¹O₂ 生成的 DPBF 溶液的紫外-可见光谱。（F） MB 溶液检测 •OH 生成的降解曲线。暴露于近红外光下，EPR 在不同时间检测 （G） •OH、（H）•O₂^– 和 （I）¹O₂ 的信号。（J） TMB 氧化示意图。（K） 不同处理组与 TMB 反应的紫外-可见光谱（插值实验程序图）。    

图3. （A） 与谷胱甘肽（GSH）孵化后不同组分的紫外-可见光谱。（B） 各组 GSH 消耗率分析。（C） 不同浓度下 BMOsRH 异质结与 GSH 反应的吸光度变化。（D） 不同反应时间溶液的吸光度变化。G-BMOsRH 中 （E） Mo 和 （F） Ru 元素的高分辨率 XPS 分析。（G） ¹O₂、（H） •O₂^– 和 （I） •OH 的 ESR 结果。数据表示为均值±标准差，n = 3，* p < 0.05，** p < 0.01，*** p < 0.001，**** p < 0.0001。    

图4. （A） 所有样品的 UV-vis-NIR 漫反射光谱。（B） Tauc 图。（C） 能带结构示意图。（D） BMOsRH 和 G-BMOsRH 的 Eg 值比较。（E） BMOsRH 和 G-BMOsRH 与 H₂O₂ 反应的吉布斯自由能图。（F） BMOsRH/H₂O₂ 和 G-BMOsRH/H₂O₂ 系统反应途径的理论计算示意图。

图 5.（A，B）细菌菌落平板测定。（C，D）存活菌落的定量。（E，F）泄漏蛋白质浓度的定量。（G）检测膜电位的变化。（H）细菌中细胞内 ROS 的检测。（I）活/死分析。数据表示为均值±标准差，n = 3，* p < 0.05，** p < 0.01，*** p < 0.001，**** p < 0.0001。    

图 6.（A） E. coli 和 （B） MRSA 生物膜结晶紫染色的正视显微镜图像。（C） E. coli和 （D） MRSA 生物膜的生物量统计。（E）细菌生物膜的 3D CLSM 图像。（F） 硅晶片上生物膜的 SEM 图像。数据表示为标准差±平值，n = 3，* p < 0.05，** p < 0.01，*** p < 0.001，**** p < 0.0001。（有关此图例中对颜色的引用的解释，读者可参考作者文章的网络版本）    

图 7.（A）实验程序的示意图。（B）各种治疗后 MRSA 感染的伤口闭合过程的代表性图像。（C）伤口闭合的演变。（D）不同治疗后伤口愈合面积的量化。（E） BMOsRH 的体内抗菌率。（F）抑菌率的定量分析。（G）第 8 天感染伤口的代表性 H&E 染色图像。（H）不同处理后第 8 天肉芽组织厚度的变化。（I）第 8 天不同治疗后伤口再生的 Masson 三色染色结果。（J）不同治疗组中胶原蛋白沉积的定量分析。数据表示为均值±标准差，n = 3，* p < 0.05，** p < 0.01，*** p < 0.001，**** p < 0.0001。

结论

总之，作者通过各种表征技术成功证实了 BMOsRH 异质结的合成。sRuO₂ 的掺入抑制了 BMO 内电子空穴对的复合速率并提高了光催化效率，使 BMOsRH 异质结能够在微环境中释放各种剧毒活性氧 （ROS），包括羟基自由基、单线态氧和超氧阴离子。作者证实，用 GSH 处理的 BMOsRH 表现出更丰富的缺陷结构，这导致更高的 ROS 产生。因此，在近红外光和过氧化氢的共同作用下，BMOsRH 异质结产生了局部高温和强烈的“ROS 风暴”，有效地杀死了 E. coli 和 MRSA，同时也消除了它们的生物膜。在 MRSA 感染的小鼠伤口和脓肿模型中，BMOsRH 异质连接表现出优异的抗菌性能。免疫组化和免疫荧光结果显示，该异质连接显著降低 IL-1β 和 TNF-α 的表达水平，促进皮肤组织中血管系统的重建，加速感染区域的愈合。这一策略不仅为BMO在光催化领域的发展开辟了新的途径，也为光敏剂的设计提供了新的思路。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157828

参考文献：Oxygen-Deficient Bi₂MoO₆@sRuO₂@HA heterojunction for photocatalytic treatment of drug-resistant bacterial infections. Yonglan Yang, Qianyu Cai, Liqiang Wang, Qiongmei Mai, Gang Ye, Jie Liu, Yanan Liu. Chemical Engineering Journal. 2024, DOI: 10.1016/j.cej.2024.157828.

投稿联系：kangjunkejiquan@163.com.    

欢迎各位抗菌同仁进群交流（抗菌科技圈）！         
由于群人数已满200，各位业界同仁可以添加小编微信（wei315317或xb_15273285712）邀请进群。