Fe?O?/ZnTCPP异质结用于快速治疗细菌感染的伤口

细菌感染延缓皮肤伤口愈合，滥用抗生素加剧耐药性。本研究通过两步水热法合成Fe3O4/ZnTCPP异质复合材料，利用808nm近红外光实现光热与光动力协同治疗。实验表明该材料10分钟内即可杀灭99.99%的金黄色葡萄球菌，同时促进组织修复并抑制炎症。

　　

张向宇|刘盼月|段王平|李鹏翠|陈伟毅|魏晓春

中国山西省太原市山西医科大学第二医院骨科

摘要

细菌感染会显著延缓皮肤伤口的愈合过程，而抗生素的过度使用导致了病原体耐药性的增加，进一步复杂化了皮肤病变的治疗。光动力疗法因其便捷、可控的抗菌特性以及较低的药物耐药性诱导风险而受到了广泛关注。然而，传统的金属卟啉光敏剂存在诸如光生载流子快速重组和活性氧（ROS）生成不足等问题，严重限制了其在光控抗菌治疗中的临床应用。本研究通过两步水热法合成了氧化亚铁/掺锌卟啉异质结复合材料（Fe₃O₄/ZnTCPP）。ZnTCPP作为光敏剂，在808纳米（NIR）近红外光的激发下产生电子，而Fe₃O_{43O4与ZnTCPP之间形成的异质界面显著提高了光生载流子的分离效率。在NIR照射下，Fe3O4/ZnTCPP复合材料表现出更强的ROS生成能力和更优的光热效果。体外抗菌测试显示，该复合材料在808纳米NIR照射10分钟后对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的杀灭率达到99.99%。此外，这种复合材料还能加速皮肤组织再生，有效降低感染伤口的炎症水平，并在整个过程中保持出色的生物相容性。本研究证实，构建的Fe3O4/ZnTCPP异质结成功地将近红外响应性、光动力疗法和光热疗法整合到一个平台上，为治疗细菌性伤口感染提供了一种创新的材料设计方案。}

引言

皮肤是身体抵御病原体入侵的主要物理屏障[1]。当皮肤受损且无法及时愈合时，就容易发生细菌感染[2]。未经治疗的细菌感染可能危及生命[3]。抗生素能有效控制和解决这类感染，但其长期滥用会促进细菌耐药性的产生[3],[4]。因此，迫切需要开发不依赖传统抗生素的新抗菌策略[5]。光动力疗法（PDT）凭借其便捷性、可控性、高杀菌效率以及无耐药性发展的优势，成为抗菌治疗领域极具前景的方法[6],[7]。 卟啉及其衍生物因其强光吸收能力和优异的光学性能而被广泛用作光敏剂[8],[9]。近红外（NIR）光的组织穿透深度远大于紫外线（UV）光，使其更适合用于体内抗菌治疗[10],[11]。相比之下，许多传统光催化剂主要依赖UV激发，这严重限制了它们的实际应用和临床价值。增强卟啉系统的一种常见方法是将金属离子引入卟啉环中。金属中心有助于稳定激发态，使掺锌卟啉（ZnTCPP）等金属卟啉表现出更强的光稳定性，并更有效地生成活性氧（ROS）[12],[13]。然而，金属卟啉中光生电子和空穴的寿命较短，这些载流子在原位会迅速重组，从而大大降低其光催化和光动力效率[14]。

为克服金属卟啉中的快速电荷重组问题，可以将它们与其他材料复合，形成异质结或供体-受体系统。在这种结构中，合适的电子受体组分能够捕获光激发电子，从而分离电子和空穴，实现更有序的迁移[15],[16]。氧化亚铁（Fe₃O₄）因其多功能性而备受青睐。Fe₃O₄具有高导电性，可作为电子收集和传输的通道，抑制电荷重组[17]。同时，Fe₃O₄将近红外光转化为热能，产生温和的温度。这种局部加热增强了细菌细胞膜的通透性，提高了其对活性氧的敏感性[18],[19]。基于这些特性，Fe₃O₄成为构建光动力/光热复合抗菌系统的理想材料。

本研究将ZnTCPP与Fe₃O₄复合，形成异质结（Fe₃O₄/ZnTCPP），旨在提升光动力抗菌效果并发挥协同作用。Fe₃O₄和ZnTCPP的复合材料形成了明显的异质界面，显著促进了光诱导的电荷分离和传输，在808纳米近红外照射下生成更多ROS。在异质结中，ZnTCPP作为主要的光吸收剂和ROS生成剂，而Fe₃O₄同时充当电子受体和电荷传输通道，并提供光热效果。基于这种结构，Fe₃O₄/ZnTCPP的抗菌性能显著优于单一组分，在808纳米照射10分钟后对金黄色葡萄球菌的杀灭率达到99.99%。在感染性伤口模型中，该材料不仅抑制了细菌生长，还通过调节炎症反应促进了组织修复。这些结果表明，Fe₃O₄/ZnTCPP是一个多功能平台，结合了强大的抗菌活性和伤口愈合能力，适用于治疗耐药性细菌感染。

试剂和材料

六水合氯化铁（FeCl₃·6H₂O、聚乙二醇（PEG）和乙二醇（EG）均购自天津丰川化学试剂技术有限公司。醋酸钠（CH₃COONa）、卟啉（TCPP）、醋酸锌（Zn(OAc)₂）和二甲基亚砜（DMSO）均购自上海麦克林生化技术有限公司。N,N-二甲基甲酰胺（DMF）购自天津大茂化学试剂合伙企业。5,5-二甲基-1-吡咯烷-N-氧化物

Fe₃O₄/ZnTCPP的表征

Fe₃O₄和ZnTCPP是通过水热法合成的，而Fe₃O₄/ZnTCPP复合材料则是通过二次水热过程制备的（图1a）。扫描电子显微镜（SEM）分析显示，合成的Fe₃O₄具有纳米球状结构，而ZnTCPP则呈现层状结构（图1b和c）。在二次水热过程中，Fe₃O₄纳米球均匀分散并与ZnTCPP结合，形成Fe₃O₄/ZnTCPP，其中Fe₃O₄分布在层状结构上

结论

总之，我们开发了一种Fe₃O₄/ZnTCPP异质结构纳米材料，它结合了NIR触发的光动力效应和温和的光热效应，用于抗菌伤口治疗。电化学分析和密度泛函理论计算证实，Fe₃O₄纳米球与层状ZnTCPP之间的紧密结合形成了界面电场和高效的电子传输通道，从而在808纳米NIR照射下促进了电荷分离和ROS的生成。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

CRediT作者贡献声明

魏晓春：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督。 陈伟毅：撰写 – 审稿与编辑、监督、研究。 李鹏翠：验证、监督、研究。 段王平：监督、方法学、数据分析。 刘盼月：方法学、研究、数据分析、数据管理。 张向宇：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、研究、资金筹集、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国博士后科学基金（2021M691992）的财政支持。