Advanced Healthcare Materials: 利用近红外光激发无机半导体异质结快速消除骨植入体表面细菌生物膜

细菌感染常导致骨科手术失败。虽然手术环境消毒严格,但病原菌依旧不可避免,而且植入体植入体内后给细菌提供了生长空间。传统的治疗方法需要长期、反复的口服或静脉注射抗生素,这些抗生素会破坏免疫系统,也可能导致细菌的耐药性。如果附着在植入体表面的细菌没有被及时清除,它们会大量繁殖形成细菌生物膜并分泌多糖,这些分泌物会保护细菌免受抗生素和免疫系统的侵害,近而引发更为严重的并发症。此时通常只能通过二次手术来移除受感染的植入体,这会让患者遭受额外的身体疼痛和经济损失,甚至危及患者生命安全。

近年来,基于活性氧(ROS)杀菌的光动力治疗(PDT)策略被广泛研究。光照下光动力系统产生的ROS可以在很短的时间内杀灭细菌。目前的研究集中在紫外可见光波段的光动力消毒,但是基于近红外光(NIR)响应的半导体光催化异质节用于植入体体内的生物膜原位消除的研究鲜有报道。相较于紫外可见光,近红外光具有更深的组织穿透深度,对于植入体光动力治疗有更具有实际应用价值。因此,开发一种近红外光响应的快速、高效、稳定且长效的植入体抗菌涂层是非常有必要的。

基于以上问题,近期,湖北大学刘想梅副教授团队联合天津大学吴水林教授团队、北京大学郑玉峰教授团队和香港大学Kelvin Yeung教授团队设计了一种Bi2S3@Ag3PO4异质结薄膜,该薄膜在近红外光照射下能产生大量活性氧基团、同时兼具较好的近红外光热效果。在活性氧和光热的联合治疗下,该薄膜可以赋予钛合金植入体快速、高效的杀菌及消除细菌生物膜能力。Bi2S3(带隙1.3eV)是被广泛研究的近红外响应的光热材料,理论上,它可以作为NIR驱动的光动力治疗剂,但是由于其较窄的带隙,其光生载流子更趋向发生复合从而影响其光动力治疗效果。Ag3PO4作为一种比硫化铋导带位更低的半导体,可以提升硫化铋的光催化效果,而且对其光热性能不产生影响,进而提升材料的光动力杀菌效果。具体而言,在808 nm 近红外激光照射15分钟后,材料对对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的体外杀菌率分别为99.45%和99.74%,对金黄色葡萄球菌生物膜的体内杀菌率也达到了94.54%。此外,Ag3PO4缓慢释放的微量银离子可以抑制抑菌生物膜的复发,为植入体提供长期、稳定的杀菌治疗。而且与纯钛相比,负载Bi2S3@Ag3PO4薄膜的样品展示出较好生物相容性。这种生物相容性良好的近红外光响应的涂层兼具快速、高效、稳定和长期的杀菌效果,是一种非常有前景的骨植入材料表面改性策略。