《Composites Communications》：A bifunctional scaffold with photothermal-pyroelectric antibacterial and piezoelectric osteogenic activities for treating infected bone defects
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光热-吡罗埃lectric协同机制实现抗菌与骨再生功能转换，基于Z型异质结BaTiO3@S-MoS2的PLLA支架通过近红外激活ROS产生杀菌，超声波驱动piezoelectric效应产电促进骨修复。
方伟琦|金辉谭|郭晓娟|林冲|杨帅|邹中兴|叶泰来|高秀文|彭淑萍|崔俊帅
中国江西省科学技术大学植入式医疗设备增材制造重点实验室，南昌，330013
摘要
热电钡钛矿（BaTiO3）通过温度变化驱动的热电效应产生活性氧（ROS），显示出显著的抗菌应用潜力。然而，BaTiO3的ROS生成效率受到载流子迁移率低、电子-空穴复合速度快以及氧化还原动力学缓慢的限制。为了解决这些问题，研究人员通过在富含硫空位的二硫化钼（S-MoS2）表面原位生长BaTiO3，构建了Z型结构的BaTiO3@S-MoS2异质结，并将其整合到增材制造的聚（L-乳酸）支架中。一方面，S-MoS2具有较高的内在载流子迁移率以及硫空位诱导的掺杂效应，建立了高效的电子传输路径，显著增强了载流子的迁移能力；另一方面，S-MoS2在近红外光照射下迅速升温，激活了BaTiO3的热电效应。此外，Z型异质结在S-MoS2的导带中富集了还原电子，在BaTiO3的价带中富集了氧化空穴，促进了电子-空穴对的分离，提高了氧化还原动力学，从而大幅增加了ROS的生成量。同时，BaTiO3在超声波作用下通过压电效应将机械能转化为电能，激活了电压门控离子通道和成骨信号通路。实验结果表明，该支架在近红外光照射下表现出优异的光热性能，能够破坏细菌生物膜并增强ROS的渗透能力，实现有效的杀菌效果；随后，在超声波刺激下，该支架还能促进骨骼再生。总体而言，本研究为感染性骨缺损的序贯治疗提供了一种综合策略。
引言
感染性骨缺损是临床上常见的难题，其原因包括创伤、骨肉瘤、骨髓炎或先天性疾病。理想的治疗方案需要先清除感染，再修复骨缺损[1]、[2]。现有的临床方法如手术清创、抗生素治疗和自体/异体移植存在感染复发、抗生素耐药菌、供体部位并发症及免疫排斥等挑战[3]。更重要的是，现有方法无法同时实现抗菌和成骨功能的协同作用[4]。因此，开发具有外部刺激响应性的智能材料，兼具抗菌和成骨功能，在临床上显得十分迫切。
热电动态疗法（PEDT）因其非侵入性、时空可控性以及无药物抗性而在抗菌治疗中展现出巨大潜力[5]、[6]。PEDT利用热电材料在温度变化下的极化现象驱动电荷分离并引发氧化还原反应，生成羟基自由基（·OH）和超氧阴离子（·O2-）等ROS[7]。这些ROS会对细菌细胞膜的脂质、蛋白质和核酸造成不可逆的氧化损伤，从而实现广谱抗菌效果[8]。在各种热电材料中，钡钛矿（BaTiO3因优异的热电系数、催化活性和生物相容性而在生物医学领域得到广泛应用[9]。例如，张等人开发了具有光热-热电效应的BaTiO3@MXene复合材料，证明MXene在近红外（NIR）辐射下的温度变化能够激活BaTiO3的热电效应，生成ROS[10]。然而，BaTiO3的载流子迁移率低、电子-空穴复合速度快以及氧化还原动力学缓慢，限制了ROS的生成效率，影响了其抗菌效果。
为了解决这些问题，研究人员探索了元素掺杂和缺陷工程等策略[11]、[12]。最近，构建异质结成为了一种非常有前景的解决方案[13]。受此启发，通过在富含硫空位的二硫化钼（S-MoS2）纳米片表面原位生长BaTiO3，构建了Z型结构的BaTiO3@S-MoS2异质结，以实现光热-热电协同催化。S-MoS2具有较高的内在载流子迁移率以及硫空位诱导的掺杂效应，提供了高效的电子传输路径；同时，在近红外光照射下迅速升温，激活了BaTiO3的热电效应。Z型异质结利用内置电场促进BaTiO3导带中的电子与S-MoS2价带中的空穴的复合，有效保持了BaTiO3价带中空穴的强氧化能力（将H2O氧化为·OH）和S-MoS2导带中电子的强还原能力（将O2还原为·O2-），从而增强了电子-空穴对的分离并提高了氧化还原反应的动力学，显著增加了ROS的生成量。此外，S-MoS2的光热效应还能破坏细菌生物膜结构，促进ROS进入细菌细胞，实现物理破坏和化学杀菌的协同作用。
抗菌处理成功后，修复骨缺损成为后续治疗的目标。研究表明，电刺激能够激活细胞膜上的电压门控钙通道，促进钙离子等关键信号分子的流入，进而调节下游的成骨信号通路，促进骨骼再生[14]。值得鼓舞的是，BaTiO3在超声波刺激下能够将机械能转化为电能[15》，产生的电信号与自然骨修复微环境高度兼容，有效诱导成骨细胞的增殖和分化。
在本研究中，BaTiO3纳米颗粒在S-MoS2纳米片表面原位生长，构建了BaTiO3@S-MoS2异质结，然后将其整合到聚（L-乳酸）（PLLA）中，通过激光增材制造工艺制备成PLLA/BaTiO3@S-MoS2支架。如图1所示，该支架在近红外光照射下生成ROS，实现抗菌效果；在超声波刺激下产生电信号，促进骨骼再生。对样品的微观形态、晶体结构、化学状态、光热性能、热电性能和压电性能进行了全面评估，并研究了其载流子迁移率、电子-空穴对分离效率及ROS生成能力。特别是阐明了该支架在抗菌和成骨应用中的双重功能机制，为感染性骨缺损的序贯治疗提供了一种新策略。
材料
二硫化钼（MoS2）购自江苏XFNANO材料科技有限公司。聚-L-乳酸（PLLA）购自深圳博利生物材料有限公司。无水乙醇（C2H5OH）、盐酸（HCl）、四氯化钛（TiCl4）、八水合氢氧化钡（Ba(OH)2·8H2O）、亚甲蓝（MB）、1,3-二苯异呋喃（DPBF）、谷胱甘肽（GSH）和磷酸盐缓冲盐水（PBS）均购自上海阿拉丁生化科技有限公司。
形态与结构表征
BaTiO3的透射电子显微镜（TEM）图像见图2a-b。高分辨率TEM（HRTEM）分析显示其晶面间距为0.28 nm，对应于BaTiO3的（110）晶面（图2b-b1[16]。BaTiO3的选区电子衍射（SAED）图谱显示出典型的单晶衍射峰（图2c），证实了其高结晶性。S-MoS2的TEM图像显示其超薄片状形态（图2d）。
结论
综上所述，成功制备并表征了一种集成了Z型结构BaTiO3@S-MoS2异质结的多功能PLLA支架。由于S-MoS2具有较高的内在载流子迁移率和硫空位诱导的掺杂效应，该异质结显著降低了界面阻抗并优化了载流子动力学。
作者贡献声明
金辉谭：撰写初稿、资源收集、数据管理。
方伟琦：方法设计、资金申请。
崔俊帅：撰写与编辑、软件使用、数据管理。
彭淑萍：数据可视化、指导工作。
高秀文：撰写与编辑、指导工作、资源管理。
叶泰来：软件使用、方法设计。
邹中兴：方法设计。
杨帅：结果验证、实验分析。
林冲：结果验证、数据分析。
郭晓娟：软件使用、数据分析
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了以下资助：（1）国家重点研发计划（项目编号：2023YFB4605800）；（2）国家自然科学基金（项目编号：U24A20120, 82573065, 52475362, 52365046, 52465041）；（3）江西省自然科学基金（项目编号：20224ACB204013）；（4）江西省植入式医疗设备增材制造重点实验室（项目编号：2024SSY11161）；（5）江西省自然科学基金（项目编号：20252BAC220033）。
