超聲激活微針貼片，用于雙側(cè)增強(qiáng)聲化學(xué)動(dòng)力學(xué)和聲溫抗菌治療

化學(xué)動(dòng)力療法（CDT）是一種采用芬頓催化劑將過(guò)氧化氫（H?O?）轉(zhuǎn)化為有毒的羥基自由基（?OH）來(lái)殺死細(xì)菌的方法。其中，芬頓金屬過(guò)氧化物納米顆粒是一種具有獨(dú)特物理化學(xué)性質(zhì)的納米材料，但對(duì)這種抗菌劑的研究仍處于起步階段。

近日，來(lái)自青島科技大學(xué)的朱之靈副教授、隋凝副教授共同開(kāi)發(fā)了一種獨(dú)特的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，由超細(xì)過(guò)氧化物銅（CuO?）納米團(tuán)簇和聲敏化超薄富氧空位多孔氧化鈦（OV- TiO?）納米片組成，并將其納入微針中，用于雙側(cè)增強(qiáng)聲化學(xué)動(dòng)力學(xué)和聲溫抗菌治療（圖1）。該CuO?/TiO?集成微針（CTMN）貼片在體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中均有較好的效果，5 min內(nèi)對(duì)多藥耐藥（MDR）病原體的去除率為》 99.9999%，并能促進(jìn)創(chuàng)面組織愈合。

圖1 雙側(cè)增強(qiáng)聲化學(xué)動(dòng)力學(xué)和聲溫抗菌治療的示意圖 相關(guān)研究成果以“Ultrasound Activatable Microneedles for Bilaterally Augmented Sono-Chemodynamic and Sonothermal Antibacterial Therapy”為題于近期發(fā)表在Acta Biomater.期刊上。

CuO?/TiO?的制備與表征

首先，研究人員按照一定的流程成功制備了CuO?/TiO?異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)表征（圖2A）。通過(guò)TEM和AFM探究了材料的形貌，利用XRD對(duì)其結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了進(jìn)一步的分析。通過(guò)XPS的詳細(xì)分析對(duì)其表面的化學(xué)組成各元素的化學(xué)狀態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)分析（圖2I-L）。

圖2 CuO?/TiO?的制備與表征

CuO?/TiO?的催化機(jī)理

隨后，經(jīng)過(guò)一系列的測(cè)試和模擬，研究人員探索了聲動(dòng)力增強(qiáng)ROS產(chǎn)生的可能機(jī)理。一方面，超聲作用于CuO?/TiO?時(shí)，CuO?分解，Cu2?釋放并吸附在TiO?表面，氧空位的存在減小了TiO?的帶隙，使得電子更容易從TiO?的價(jià)帶（VB）躍遷到TiO?的導(dǎo)帶（CB）上，提高了載流子遷移率。同時(shí)，Cu2?的存在可以促進(jìn)芬頓反應(yīng)，產(chǎn)生ROS自由基，殺死細(xì)菌。另一方面，當(dāng)超聲波通過(guò)液體介質(zhì)時(shí)，由于空化作用形成了大量的空化微泡，大量的能量聚集在這些空化微泡中。當(dāng)液泡破裂時(shí)，大量的能量瞬間釋放出來(lái)，導(dǎo)致周?chē)腍?O分子斷裂，產(chǎn)生大量的?OH，從而殺死細(xì)菌。

圖3 CuO?/TiO?的催化機(jī)理

CuO?/TiO?的體外抗菌性能

接著，采用革蘭氏陽(yáng)性MRSA和革蘭氏陰性P. aeruginosa兩種耐多藥菌株對(duì)CuO?/TiO?的體外抗菌性能進(jìn)行了評(píng)估（圖4）。結(jié)果顯示，無(wú)論是否應(yīng)用超聲，TiO?組和對(duì)照組的菌落都沒(méi)有明顯減少。未超聲CuO?組菌落大量生長(zhǎng)，超聲處理后菌落明顯減少。相比之下，未超聲CuO?/TiO?組僅形成少量菌落，而CuO?/TiO? + US組幾乎沒(méi)有菌落生長(zhǎng)。

圖4 體外抗菌性能

為了揭示CuO?/TiO?的抗菌機(jī)制，研究人員檢測(cè)了處理后細(xì)菌的形態(tài)變化、膜完整性和細(xì)胞內(nèi)ROS水平（圖5）。CuO?/TiO?細(xì)菌的強(qiáng)相互作用是由于CuO?/TiO?具有較大的比表面積和正電荷特性。與未處理細(xì)菌的正常光滑表面相比，CuO?/TiO?處理的細(xì)菌表面顯示出明顯的皺紋和收縮，這是超聲誘導(dǎo)脫水的結(jié)果。各組均未觀察到明顯的細(xì)菌膜損傷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，非物理因素，特別是氧化應(yīng)激和熱，是細(xì)菌死亡的主要原因。

圖5 抗菌機(jī)理的探究

CuO?/TiO?微針（CTMN）的制備與表征

將分散體與HA溶液混合，然后在20 × 20微針陣列模具中固化，得到CuO?/TiO?集成微針（CTMN）。尖銳的針尖高度為600微米，間距為600微米，同時(shí)評(píng)估了CTMN的釋放動(dòng)力學(xué)（圖6）。為了更好地觀察穿刺效果，使用豬皮體外研究了CTMN的皮膚插入能力。加壓5分鐘后，CTMN溶解并消失（圖6i），來(lái)自負(fù)載亞甲藍(lán)（MB）的CTMN的藍(lán)點(diǎn)保留在豬尸體皮膚中（圖6j）。此外，將處理過(guò)的豬尸體皮膚切片用蘇木精和曙紅（H&E）染色，染色結(jié)果表明CTMN穿透表皮并到達(dá)真皮。此后，在小鼠背部皮膚上進(jìn)行體內(nèi)皮膚插入試驗(yàn)。負(fù)載異硫氰酸熒光素（FITC）的CTMN保留在背部皮膚的微通道中（圖6l），證實(shí)了CTMN可以穿透小鼠皮膚的真皮層并遞送CuO?/TiO?傷口部位。

圖6 CuO?/TiO?微針（CTMN）的制備與表征

CTMN的體內(nèi)治療性能

最后，研究人員構(gòu)建了MRSA感染的小鼠傷口模型以檢測(cè)CTMN的體內(nèi)抗菌活性（圖7）。將小鼠隨機(jī)分為四組：對(duì)照組、US組、CTMN組和CTMN + US組。紅外熱成像用于檢測(cè)不同治療后傷口溫度的變化。結(jié)果顯示CTMN + US組的傷口溫度升高到50℃，比對(duì)照組高25℃，并且周?chē)M織溫度略微升高。之后進(jìn)一步證實(shí)了CuO?/TiO?已被代謝，未在體內(nèi)積聚。進(jìn)一步測(cè)定小鼠血清中炎癥因子水平，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CTMN + US組TNF-α和IL-6水平明顯低于其他各組，表明CTMN + US可有效改善炎癥反應(yīng)。HE和Masson染色表明CTMN + US組無(wú)炎癥，表皮層形成完整，膠原沉積面積大，表明病變已愈合。總的來(lái)說(shuō)，這些結(jié)果表明CTMN體內(nèi)抗菌活性促進(jìn)了傷口組織中瘢痕的形成和膠原蛋白的排列。

圖7 CTMN的體內(nèi)治療性能

綜上，該研究開(kāi)發(fā)了CuO?/TiO?集成微針，用于雙側(cè)增強(qiáng)聲化學(xué)動(dòng)力學(xué)和超聲熱抗菌治療。通過(guò)材料表征、動(dòng)力學(xué)測(cè)試、有限元模擬和DFT計(jì)算，研究了CuO?/TiO?的構(gòu)效關(guān)系。經(jīng)體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，CTMN不僅在5 min內(nèi)對(duì)多種MDR病原體的殺滅率為》 99.9999%，具有極高的抗菌效果，而且還能促進(jìn)創(chuàng)面組織愈合?？偟膩?lái)說(shuō)，這項(xiàng)工作開(kāi)發(fā)了一種用于非抗生素治療的聲敏性和化學(xué)反應(yīng)性納米藥物的潛在應(yīng)用策略。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actbio.2022.12.041

審核編輯 ：李倩