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压电催化治疗因其无创和深层组织穿透能力，在细菌感染的治疗中引起了广泛的关注。然而，由于低强度超声（LIU）下声增敏剂的压电响应不足，电荷分离效率不佳，催化效率。为了解决这一难题，我们构建了一个由BiOI和少层Mxene组成的压电催化生物异质结（P-bioHJ），用于快速抗菌。工程P-bioHJ不仅具有相对窄带隙来响应声聚焦效应发出的声发光，还诱导界面极化和氧空位的产生，促进载体的有效分离，导致快速杀菌的自由基爆发。转录组学分析表明，P-bioHJ通过干扰细菌的电子传递链来激发杀菌，从而破坏代谢和能量合成。体外实验表明P-bioHJ具有良好的细胞相容性。此外，体内实验表明，P-bioHJ在使用LIU的皮肤感染模型中表现出突出的抗菌特性，并通过用柚皮苷装饰促进感染性骨缺损模型中的血管生成和成骨。正如我们所设想的那样，这项工作为通过利用超声聚焦效应，促进受感染组织再生的修复提供了有价值的见解。该研究以题为“Low-Intensity Ultrasound-Activated Cavitation Effect
Triggers Piezoelectric Catalysis Coordinating Respiratory
Chain Interference Tactics Against Bacterial Infection
”发表在Advanced Functional Materials上。
细菌感染可能导致慢性不愈合的伤口和严重的组织损伤，对组织修复构成重大风险，但目前主要的临床治疗仅限于高剂量的抗生素干预。不幸的是，全身性抗生素治疗可能有助于抗生素耐药性的发展，对公共卫生保健造成巨大的压力，并对患者造成重大的疼痛和痛苦。因此，可持续的替代品是解决紧迫性的紧迫需要。
基于具有晶格不对称的声增敏剂的压电催化治疗，作为一种创新的非侵入性抗菌治疗方式，提供了灵活的空间和时间选择性，并具有穿透深层组织的能力。超声波敏化剂在超声刺激（US）下可以自发极化促进电子（e−）和空穴（h+）分离。随后，极化载体直接与被吸附的水或o2进行氧化还原反应，最终生成活性氧（ROS）导致细菌死亡。更重要的是，驱动载流子迁移的电场强度决定了压催化治疗效果的有效性，与声敏剂的介电常数和应用的美国能量的大小有关。临床上，低强度超声（LIU）（功率在0.01-3Wcm−2之间）与高强度聚焦超声（Power>5 W/m2）不同，在临床治疗细菌感染过程中，优先降低损害健康组织的风险，减少继发性患者损伤。尽管有相当多的努力旨在直接改善声增敏剂的压电性能，但一个重大的挑战仍然存在：即使是具有高介电常数的声增敏剂也可能不能有效地响应LIU。因此，开发对LIU有有效反应的声增敏剂对细菌感染的临床治疗促进组织修复具有至关重要的深远意义，但它仍然是一个艰巨的挑战。
在此，作者团队报道了一种富含表面氧空位的新型P-bioHJ，由BiOI、Ti3C2和柚皮苷组成，已被证明具有骨诱导和抗炎特性。P-bioHJ证明了通过利用LIU的压电催化治疗，成功地根除了受感染组织中的细菌。在这个概念验证研究中，BiOI是在自下而上的表面通过静电吸附实现的。随后将BiOI/Ti3C2（N@BT）涂在3d打印聚醚醚酮酮（PEKK）支架上，该支架具有优异的力学性能、生物相容性和化学稳定性，以验证其在硬组织应用中的抗菌治疗能力。在内置电场和界面电场与表面氧空位的协同作用下，促进了LIU下极化和光生载流子的有效分离，从而产生了显著的抗菌活性。体内外研究证实，P-bioHJ具有抑制LIU作用下细菌增殖的能力，促进巨噬细胞从M1表型到M2表型的极化，减少炎症，促进组织修复。此外，转录组分析强调了其有效增强载体分离导致ROS激增、干扰细菌辅酶合成和电子转移的机制，从而促进快速消毒。利用两种体内模型，该研究表明PbioHJ具有显著的抗菌作用和高水平的生物安全性，促进了有效的组织再生。总的来说，这种p-biohj介导的压电催化治疗策略通过双电场和表面氧空位改善载体分离，实现了细菌感染和组织修复的有效治疗，克服了传统超声增敏剂的局限性。
图1 智能P-bioHJ原理图。a)P-bioHJ的制备。b)由liu激活的压电催化治疗驱动，c)相应的抗菌和组织修复机制。
图2 P-bioHJ的特性。a)P-bioHJ的制备示意图。b)不同纳米片的FE-SEM图像。（紫色和蓝色的薄片分别代表BiOI和ti3c2）。c)BT的AFM图像。d) TEM，e) HRTEM和f)BT的SAED模式。g)BT的元素映射。h)BiOI和BT的XRD模式。i)BT的FTIR和N@BT。j)BiOI和BT的低温ESR。k)不同样品的XPS全谱，l)BiOI和BT的O 1s和Bi 4f的拟合谱。
图3 压电光学特性的表征。a)UV-VisDRS和b)BiOI、Ti3C2和BT的tauc曲线。c)BiOl、Ti3C2和BT的SPS光谱。d)压电电流和e)BiOI和BT的电阻抗曲线。f) PL和g)BiOI和BT的瞬态PL光谱分析。h)BT的振幅和相位曲线。i)不同压力下表面压电电位产生的有限元法，(j)BT和BiOI在相同压力下产生的压电位移和相同压力下产生的表面压电势。k)BT的压电催化增强机理示意图。
图4 压电催化性能和DFT模拟。a）·O2-、b）·OH和c) 1O2的生成机制。不同样品的O2-、e和1O2的ROS检测。g)BT组的功率函数模拟，h)BiOI、Ti3C2和BT的氧吸附能，i)BT的Barder电荷（蓝色区域表示获得的电子，黄色区域表示失去的电子），j)能带结构，k-l)BT的DOS和PDOS。m)压电催化产生BTROS的机制。
图5 P-bioHJ的体外抗菌能力。a)大肠杆菌菌落的图片，c)用不同样本处理过的金黄色葡萄球菌。相应的存活率。大肠杆菌。，和(d)金黄色葡萄球菌。大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的FE-SEM形态。黄色的五角形图表示细菌的破裂。f)在LIU条件下与N@BT接触后的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的透射电镜形态。g)通过LIVE/DEAD染色重建处理后的细菌生物膜的三维图像。h)体外细菌杀灭过程如图所示。每组n = 3；p值采用单因素方差分析进行评估；
图6 PBS和N@BT处理对金黄色葡萄球菌的转录组分析。a) PCA分析。火山分布图。c)显著表达基因的热图。d)差异基因的GO富集分析。e)差异基因的KEGG富集分析。f)呼吸链和脂质过氧化相关基因。呼吸链复合物测试，g）复合物I、h）复合物III和i）复合物IV。j)检测细菌ATP和(k) DNA损伤。l)BT和BT与金黄色葡萄球菌的细菌电化学试验。m)呼吸链干扰的原理示意图。每组=为3；p值采用单因素方差分析；
图7 体外细胞相容性和成骨性评价。a)相关实验方案的示意图。b)MC3T3细胞在不同支架上孵育后的活/死染色的3D CLSM图像。c)第14天、第21天的ARS染色。d)氰酸盐、e) BMP-2和f) ALP的免疫荧光染色。g)相应的ARS活性的半定量评估。对h)氰酸盐、i) BMP-2和j) ALP进行相应的半定量评估。每组n = 3；p值采用单因素方差分析；
图8 植入体感染的体内治疗。a)动物实验过程示意图。b)受感染植入物的菌落和混浊液体的图片。c) H&E和d)种植体周围骨组织感染的Giemsa染色（Bule箭头表示炎症细胞，红色箭头表示细菌）。e)对大鼠体内进行IVIS分析，实时检测不同处理方法对did标记的金黄色葡萄球菌的影响。f)通过在600 nm处的OD值对混浊液体进行相应的定量评价。g)h)h&E和(f) Giemsa染色的相应的半定量评估。每组=为3；p值采用单因素方差分析；
图9 新骨生长进入支架的数量和速度。a)新骨组织的Micro-CT扫描示意图。b)股骨髁的Imaris分析，从上到下：股骨髁缺损的重建，新骨的侧视图，新骨的俯视图（红色为新骨）。c)4周（ARS（红色）和钙绿素（绿色）和6周新骨的生长速率分析。通过micro-CT定量三维重建中再生骨组织相关指数，包括d）骨体积/总体积比（BV/TV）、e）骨密度（BMD）和f）骨小梁数(Tb。N).g)从第4周至第6周的矿物质附着率（MAR）的定量分析。每组=为3；p值采用单因素方差分析；
图10 新骨长入的微观结构和机制。a)在第4周和第8周时，未脱钙化骨组织的H&E、Goldner和甲苯胺蓝染色。b)SMA/CD31，c)BMP-2/OCN和d) CD206/iNOS对新骨的免疫荧光染色。e) H&E、f) Goldner和g)甲苯胺蓝染色的相应定量分析。h)BMP-2和氰酸盐的相应定量分析。每组=为3；p值采用单因素方差分析；
作者团队创新性地设计了一种LIU激活的P-bioHJ，通过界面和缺陷工程策略增强压电反应，以有效的压电催化治疗细菌感染。P-bioHJ在LIU下具有良好的ROS生成能力，这是由于对超声反射效应的建设性响应和载流子的有效分离，能够通过破坏细菌膜电位和呼吸链电子转移来强大地对抗细菌感染。随后，通过转录组学分析和电化学研究表明，ROS的攻击导致细菌代谢和能量合成异常。此外，体外实验表明PbioHJ具有良好的细胞相容性，体内实验表明P-bioHJ在LIU皮肤感染模型中表现出优异的抗菌特性，并通过柚皮苷装饰促进感染性骨缺损模型中的血管生成和成骨。该团队的研究结果验证了设计具有适当的带隙和良好的载体分离效率的P-bioHJ，可以通过适当地利用超声反射效应，在LIU下获得令人满意的压电催化治疗效果。
论文链接（DOI）：
https://doi.org/10.1002/adfm.202419426
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