北京纳米能源所Nano Energy：压电光电子学效应提高抗菌和伤口愈合

【引言】

人类史是一部与细菌的斗争史。过去的几十年里，每年由细菌引起的传染性疾病已带走数百万人的生命。抗生素类药物的问世挽救了很多细菌感染的病人，但无论是天然抗生素还是人工合成的抗生素类药物长期使用会导致细菌的耐药问题，出现“超级菌”，对人类健康和生态环境都造成了严重威胁。纳米科技的飞速发展，为解决上述问题提供了新思路。科学家们致力于通过设计区别于抗生素抗菌机理的纳米材料来减少耐药风险。最近，光动力治疗（PDT）已被开发为一种微创治疗方式，以征服多药耐药性细菌。在光的照射下，光敏剂可以产生活性氧自由基（ROS）来破坏细菌。设计高安全性、高活性的光敏剂具有重要意义和临床应用价值。

【成果简介】

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所李琳琳研究员与王中林院士领导的研究团队，报道了通过压电效应与表面等离子体共振增强的光催化抗菌，并在Nano Energy上发表了题为“Heterostructured nanorod array with piezophototronic and plasmonic effect for photodynamic bacteria killing and wound healing”的研究论文。第一作者于欣博士和博士生王舒（并列第一作者）等为了提高ROS生成对PDT抗菌的效果，开发了具有纳米棒阵列结构的多层同轴异质结构（TiO₂/BaTiO₃/Au）作为抗菌和伤口愈合的涂层。具有局部表面等离子体共振的Au纳米粒子不仅扩宽了光谱吸收范围，而且还增强了光生电子的转移。同时BaTiO₃的铁电极化为光致电荷的传输提供了驱动力，从而提高了电子-空穴分离效率，进一步促进了ROS生成。他们研究了抗菌薄膜对革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌的抗菌效果，抗菌效率达到99.9%。进而通过动物实验发现，其在模拟太阳光的照射下可以有效促进表层炎症伤口的愈合，加速受损皮肤的修复和再生，具有明显的抗菌疗效。

【图文导读】

图1 TiO₂/BTO/Au纳米阵列的制备与形貌表征

（a）TiO₂/BTO/Au纳米棒阵列制备流程图；

（b-d）TiO₂/BTO/Au纳米棒阵列的SEM照片；

（e-g）TiO₂/BTO/Au纳米棒阵列的TEM照片；

（h）TiO₂/BTO/Au的元素分布mapping图。

图2 材料的结构、价态、亲/疏水性及压电性表征

（a）TiO₂/BTO/Au纳米棒阵列的XRD图；

（b）TiO₂/BTO/Au纳米棒阵列Au的XPS能谱图；

（c）TiO₂/BTO/Au纳米棒阵列UV-visible吸收光谱图；

（d）抗菌薄膜表面接触角的测量；

（e-h）TiO₂/BTO/Au纳米棒阵列压电力显微镜（PFM）的表征。

图3 模拟太阳光照射下可以提高羟基自由基（•OH）和单线态氧（¹O₂）的产生

（a）用5, 5-dimethyl-1-pyrroline N-oxide (DMPO)作为捕获剂对光生羟基自由基（•OH）的测量；

（b）用2, 2, 6, 6-tetramethyl-4-piperidine (TEMP)作为捕获剂对光生单线态氧（¹O₂）的测量；

（c）TiO₂/BTO/Au纳米棒阵列的光电转换效率，表征其光生电子。

图4 TiO₂/BTO/Au异质结构光动力学性能增强的机理

图5 体外抗菌的表征

（a-b）抗菌薄膜在溶液中对大肠杆菌（革兰氏阴性菌）和金黄色葡萄球菌（革兰氏阳性菌）的杀灭作用；

（c-e）模拟皮肤的杀菌：将菌液滴到抗菌薄膜上，光照一段时间后，观察其表面的细菌数量。

图6 抗菌过程对正常小鼠成纤维细胞没有毒性

（a）光照和（b）黑暗下对小鼠成纤维细胞的毒性测试；

（c）对照组与实验组抗菌薄膜的细胞活死染色的统计。

图7体内光动力学治疗促进金黄色葡萄球菌感染伤口的愈合

（a）以小鼠为模型进行光动力治疗的日期表；

（b）不同阶段小鼠伤口的光学照片；

（c）不同阶段小鼠的体重变化；

（d-g）实验组与对照组的小鼠9天后的伤口处的H&E染色和Masson’s trichrome染色。

【小结】

该研究用Au的表面等离子体共振效应拓宽了无机光敏剂的吸收光谱，并利用压电效应，通过极化中间层的BaTiO₃增强光生载流子的分离，提高活性氧自由基的产生。这项工作首次将压电效应引入到异质结构中，并利用这种新开发的异质结构进行抗菌和伤口修复。这种新的抗菌和治疗方法对压电效应纳米材料在生物医学上的应用有重要的意义。

文献链接：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）

通讯作者王中林，中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家和所长，中国科学院大学纳米科学与技术学院首任院长。中国科学院外籍院士和欧洲科学院院士，佐治亚理工学院终身校董。佐治亚理工学院终身校董事讲席教授，Hightower终身讲席教授，工学院杰出讲席教授和纳米结构表征中心主任。首位中组部 “千人计划”顶尖千人与团队入选者，教育部长江学者讲座教授。王中林院士是国际公认的纳米科技领域领军人物。在一维氧化物纳米结构制备、表征及其在能源技术、电子技术、光电子技术以及生物技术等应用方面均作出了原创性重大贡献。他发明了纳米发电机,并提出了自充电纳米结构系统,为微纳电子系统的发展开辟了新途径。他开创了纳米结构压电电子学和压电光电子学研究的先河，对纳米机器人、人-电界面、纳米传感器、医学诊断及光伏技术的发展具有里程碑意义。已在国际一流刊物上发表超过1400篇期刊论文（其中，《科学》、《自然》、及其子刊40余篇），拥有200项专利，7本专著和20余本编辑书籍和会议文集。他的学术论文已被引用85000次以上。他论文被引用的H因子(h-index)是160。Nano Energy 的发刊主编和现任主编。王中林个人网站。

通讯作者李琳琳，中科院北京纳米能源与系统研究所研究员，博士生导师，纳米能源与生物传感课题组负责人。获2014年中科院卢嘉锡青年人才奖，2015年中科院青年促进会会员。主持国家自然科学基金，北京市自然科学基金等10余项项目。在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Nano Energy、Adv. Funct. Mater.、Small、Biomaterials等期刊发表论文 70余篇，论文共被引用4000余次， H-index为25，获授权发明专利8项，合著英文专著两章。李琳琳个人网站。

第一作者于欣，中科院北京纳米能源与系统研究所博士生，现为济南大学前沿交叉科学研究院讲师。并列第一作者王舒，现为中科院北京纳米能源与系统研究所博士生。

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部大家庭。如果你对电子材料感兴趣，愿意与电子电工领域人才交流，请加入材料人电子电工材料学习小组（QQ群：482842474）。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。

材料测试，数据分析，上测试谷！