导电颗粒增强了ZnO在生物相容性聚合物纳米复合材料中的压电催化性能，从而在超声刺激下用于抗菌3D打印支架

超声响应3D打印支架的压电催化性能研究，通过ZnO/TrGO复合填料提升催化活性，实现超声波刺激下的高效抗菌和细胞相容性优化。

　　

弗朗西斯科·费尔南德斯-吉尔（Francisco Fernández-Gil）|费利佩·奥拉特-莫亚（Felipe Olate-Moya）|哈维埃拉·布里塞尼奥-富恩萨利达（Javiera Brice?o-Fuenzalida）|帕特里夏·帕尔马（Patricia Palma）|胡安·巴勃罗·阿塞韦多（Juan Pablo Acevedo）|温贝托·帕尔萨（Humberto Palza）

智利大学物理与数学科学学院化学工程、生物技术和材料系，圣地亚哥8320000

摘要

多项研究表明，导电颗粒可以增强压电材料的活性，包括其压电催化行为。为了在生物医学应用中利用这一效应，本研究旨在通过使用导电的热还原氧化石墨烯（TrGO）来增强氧化锌（ZnO）的压电活性，从而开发和评估具有超声响应性的3D打印压电催化支架。合成了ZnO/TrGO混合颗粒，并将其嵌入聚己内酯（PCL）基质中以制造3D打印支架。首先通过甲基蓝的降解实验评估了这些颗粒在超声（US）刺激下的压电催化活性。然后通过测量超声作用下的电压生成情况来评估打印复合材料的压电响应，同时研究了其在静态和超声刺激条件下对大肠杆菌（Escherichia coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的抗菌性能。使用人脐带来源的间充质干细胞（uMSCs）评估了其生物相容性。与纯ZnO相比，ZnO/TrGO混合颗粒在超声作用下的压电催化活性显著提高。当这些混合颗粒嵌入PCL中时，能够在超声作用下产生电压，峰峰值输出达到111 ± 1 mV，这归因于压电电荷生成与电子传输之间的协同作用。3D打印复合材料显示出比纯PCL更低的细菌粘附率，而在超声刺激下这一效果更加明显。在细菌悬浮液中，所有材料在超声作用下都对大肠杆菌有效，而只有三元ZnO/PCL/TrGO支架显著抑制了金黄色葡萄球菌的生长，突显了TrGO的作用。所有支架都表现出优异的细胞相容性，在超声刺激下第7天时uMSCs的增殖得到增强。这些结果表明，TrGO增强了ZnO的压电催化行为，使得设计多功能超声激活支架用于抗菌生物医学应用成为可能。

引言

压电材料能够将机械力转换为电场，反之亦然，由于其在应力诱导下产生的电荷载流子（称为压电催化）这一特性，近年来被考虑用于催化医学应用[1]。应变或应力引起的压电势可以在这些材料中产生巨大的电场，从而有效生成电子和空穴，在水和溶解氧的存在下可以产生活性氧（ROS）[2]。因此，在机械能量的作用下，压电催化材料可以催化基底上的氧化还原反应和ROS反应，应用于抗菌治疗和组织再生[3]、[4]。近年来，压电领域迅速发展，朝着具有增强催化性能和生物医学相关性的功能表面和复合系统方向前进[5]、[6]、[7]。值得注意的是，这些智能材料如今可以作为使用超声刺激（US）设计远程生物医学治疗的平台[1]。其中，氧化锌（ZnO）是一种压电半导体，不仅因其高效的压电催化行为而受到关注，还因其广泛的多功能性而受到重视，包括：(i) 强大的天然抗菌活性；(ii) 光活性；以及 (iii) 促进多种细胞系的生长、增殖和分化，适用于组织工程[8]、[9]。就抗菌行为而言，ZnO颗粒通过三种协同机制发挥作用：(i) 通过催化生成ROS导致脂质、蛋白质和DNA的氧化损伤[10]、[11]；(ii) 释放Zn²⁺离子，破坏膜完整性和酶活性[12]；(iii) 颗粒本身的物理损伤（例如纳米棒和纳米针），破坏细菌细胞壁并促进细胞毒性物质的渗透[13]。然而，直到最近，ZnO的压电催化性能才在抗菌应用中得到重视，因为ZnO通过压电催化氧化还原反应生成更多的ROS（如•OH和•O₂^-），从而破坏细菌膜、降解细胞成分并抑制生物膜的形成[14]、[15]、[16]。例如，ZnO纳米棒@graphdiyne异质结构在超声作用下表现出出色的酶模拟压电催化活性，对多重耐药病原体具有接近100%的抗菌效果[17]。值得注意的是，与压电纳米发生器和光催化现象类似，导电颗粒可以促进电荷传输，从而增强ZnO的整体压电催化性能[18]。例如，Li等人将ZnO纳米结构集成到碳纳米管（CNTs）上，通过在颗粒间形成肖特基接触来增强压电催化过程中的电荷分离，从而在机械变形下实现定向电子传输，提高压电催化性能[19]。最近，Hoang等人证明，使用涂覆金纳米颗粒修饰的ZnO纳米棒结合产氧过氧化氢酶，在超声照射下显著增加了细胞内的ROS生成。在这种情况下，金纳米颗粒作为芬顿催化剂，增强了压电催化癌症治疗过程中的ROS生成[20]。其他研究表明，当与压电基质结合时，导电颗粒可能由于成核效应而产生协同效应[21]，进一步扩展了其应用范围。

为了将压电颗粒的潜力转化为功能性生物医学平台，最近的研究集中在使用非压电生物相容性聚合物基质开发压电聚合物复合材料（PPCs）[22]。例如，基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）基质并含有ZnO纳米颗粒的PPCs在特定条件下可产生高达2.7 V和6 V的电压[23]、[24]。基于PDMS和PCL基质的含BaTiO₃填充物的PPCs已被进一步开发，用于检测生物机械运动，并通过压电现象增强矿化和细胞外基质沉积[25]、[26]。类似策略也在压电催化领域得到探索，因为可以通过聚合物复合材料的结构设计来调节和增强颗粒的压电催化性能[27]、[28]。在这方面，Ag@LiNbO3/PVDF复合薄膜显示出高细菌消毒活性，并能降解有机染料和药物[29]。基于PVDF并含有MoS₂纳米花的复合材料在黑暗条件下也表现出压电催化活性[30]。然而，在这些压电催化复合材料中，尽管有先例表明导电颗粒可以增强压电效应，但其积极作用尚未得到验证。导电颗粒的存在可以同时增强电子传输和微电容网络的形成，改善PPCs的介电性能，从而提高整体压电性能[31]、[32]。我们团队最近证明，聚己内酯（PCL）与压电ZnO和导电颗粒混合使用，可以为组织工程提供定制的压电解决方案[33]。在这种情况下，热还原氧化石墨烯（TrGO）这种高导电性的石墨烯衍生物颗粒增强了ZnO颗粒之间的电荷传输，提高了压电输出同时保持了生物相容性。这些结果突显了创建具有改进压电催化性能的三元PPCs的潜力。此外，3D打印PPC支架能够优化孔结构，放大应力集中[34]、[35]，这可能在低强度超声下进一步促进ROS生成，并使活性颗粒排列整齐，从而增强压电行为[33]、[36]、[37]。

基于之前的工作[33]，本研究旨在评估通过熔融丝沉积（FFF）技术制造的3D打印支架的压电催化性能，这些支架由嵌入压电ZnO和导电TrGO的PCL基质组成。首先通过研究超声刺激下甲基蓝的降解情况来评估颗粒的压电催化活性和导电颗粒的效果。随后，通过测试复合材料在超声刺激下对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的抗菌效果来评估其压电催化行为。此外，还将使用人脐带来源的间充质干细胞（uMSCs）来评估其细胞相容性。通过系统分析这些材料的性能，本研究旨在推进对用于组织工程领域感染控制的压电催化生物材料的理解和设计。

材料

以下材料按收到时的状态购买和使用：石墨粉、高锰酸钾、硝酸钠、硫酸、过氧化氢、乙醇、盐酸、六水合硝酸锌、甲基蓝、N,N-二甲基甲酰胺和聚己内酯（Mn = 80.000），均来自Sigma-Aldrich或Merck（美国）。六亚甲基四胺（HMT）（99%）来自Thermo Fisher Scientific（美国）。磷酸盐缓冲盐水（PBS）和Dulbecco改良Eagle培养基

ZnO微棒的压电催化活性

我们评估了六方纤锌矿结构ZnO微棒（长度6.0 μm，直径0.9 μm）的压电催化活性，方法是测试它们在超声波机械刺激下降解有机污染物的效果。这些颗粒的详细表征信息之前已有报道[33]。选择甲基蓝作为模型污染物，是因为其众所周知的光物理性质、高溶解度以及其代表性的芳香分子结构

结论

在这项研究中，我们开发并评估了由ZnO嵌入PCL基质中组成的3D打印二元和三元纳米复合支架，用于压电催化生物医学应用。将ZnO的压电性质与TrGO的导电性相结合，显著提高了这些颗粒在超声刺激下的压电催化性能，实现了高达87 ± 13%的甲基蓝降解率，以及3D打印支架的压电催化效果。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本研究中报告的工作。

作者贡献声明

弗朗西斯科·费尔南德斯-吉尔（Francisco Fernández-Gil）：撰写——原始草稿、可视化、资源准备、方法论、研究设计、资金获取、数据分析、概念化。费利佩·奥拉特-莫亚（Felipe Olate-Moya）：撰写——审阅与编辑、方法论、研究设计、数据管理。温贝托·帕尔萨（Humberto Palza）：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念化。帕特里夏·帕尔马（Patricia Palma）：撰写——审阅与编辑、监督、资金管理

数据可用性

数据将按请求提供。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了Paperpal工具来改进文章的写作质量和清晰度。使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容承担全部责任。

资助

这项工作得到了国家博士奖学金（Beca de Doctorado Nacional ANID）编号21210230、ANID基础精准和先进细胞治疗干预医学中心（ANID-Basal Center of Interventional Medicine for Precision and Advanced Cellular Therapy）、IMPACT项目编号FB210024以及ANID探索项目编号13220007的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢国家博士奖学金ANID编号21210230、ANID博士后基金3240135、ANID基础精准和先进细胞治疗干预医学中心（ANID-Basal Center of Interventional Medicine for Precision and Advanced Cellular Therapy）、IMPACT项目编号FB210024以及ANID探索项目编号13220007的支持。