基于电穿孔技术的细菌死亡机制：在组装好的压电纳米酶尖端实现植入物消毒

超声波辅助电致杀菌纳米材料设计及机制研究。通过构建BaTiO3纳米管与Mn-MIL-100的异质结构，在超声作用下实现电荷分离与富集，形成局部强电场诱导细菌电穿孔，协同活性氧（ROS）产生活性杀菌机制。材料兼具杀菌与抗氧化功能，促进巨噬细胞M2极化加速组织再生。

　　

丁铁新|张岚|谢慧慧|郭浩哲|吴胜达|韩静|韩勇

中国西安交通大学材料力学行为国家重点实验室，西安710049

摘要

电穿孔可以通过破坏细菌膜来抑制细菌；然而，其在对抗植入物相关感染方面的应用仍需进一步探索。本文中，通过在BaTiO₃纳米管上生长八面体Mn-MIL-100，制备了一种压电组装体（BM）。研究了Mn-MIL-100的压电性能及其对BM压电性能的增强效果。在超声波（US）作用下，Mn-MIL-100和BaTiO₃发生极化；压电场和内建电场协同作用，分离由US产生的热电荷，并在Mn-MIL-100尖端积累正电荷，从而进一步产生高局部电场。这种高效的电荷分离和积累促进了活性氧（ROS）的生成。当细菌入侵时，Mn-MIL-100尖端的局部电场会诱导细菌发生电穿孔，与ROS协同作用，有效杀死细菌。灭菌后，Mn-MIL-100赋予BM类似纳米酶的特性，有助于清除ROS，促进M1型巨噬细胞向M2型转变，从而减轻炎症并促进组织再生。这种基于电穿孔的抗菌疗法为治疗感染植入物提供了独特的方法。

引言

植入物相关的细菌感染，如种植体周围炎和骨髓炎，对公共健康构成威胁，仍是临床上的紧迫挑战[1]、[2]。抗菌策略通常旨在破坏或抑制细菌的关键结构和过程，如细胞膜[3]、DNA复制[4]、[5]和蛋白质合成[6]、[7]。细菌膜不仅作为高度选择性的屏障维持细胞稳态，还包含用于通过ATP合成产生能量的电子传递链（ETC）[8]。因此，破坏细菌膜的完整性或/和干扰ETC可以有效诱导细菌死亡。许多先进的抗菌策略都是基于这一机制开发的，包括机械穿刺[9]、抗菌离子释放[10]、局部加热[11]和活性氧（ROS）生成[12]。然而，这些方法通常存在抗菌效果不佳和细胞损伤的问题。例如，机械穿刺需要长时间的直接接触（长达数小时）才能破坏细菌膜[13]，并且在灭菌过程中金属离子、热量或ROS的持续积累会损害周围组织的细胞功能。

最近，有研究表明，当电极具有高曲率结构（如纳米线和尖端）时，电刺激可以迅速破坏细菌膜[14]、[15]、[16]。这些电极可以积累电荷并产生极高的电场，瞬间破坏细菌膜，导致细菌通过电穿孔死亡。这种策略为自供电材料在植入物上实现基于电穿孔的细菌杀灭提供了可能。具有非中心对称晶体结构的压电材料可以将机械刺激转化为电信号，在植入物消毒方面具有独特优势，如非侵入性、可重复性和高时空精度。四方相BaTiO₃是一种典型的无机压电材料，其在周期性机械应变（如超声波）下产生的压电电荷已在抗菌研究中得到广泛研究[17]、[18]、[19]。然而，这一机制主要与压电催化中的ROS生成有关，而纯BaTiO₃在US作用下产生的电荷不足且寿命短，常常导致ROS生成效率低下，从而影响灭菌效果[20]。研究人员通过与其他半导体或贵金属结合构建异质结构，延长了热电荷的寿命，增强了ROS生成，提高了BaTiO₃的抗菌效率[21]、[22]，但BaTiO₃在US作用下产生的压电电荷仍未能有效直接破坏细菌膜，这可能是由于其低曲率拓扑结构和/或电荷不足所致。

近年来，具有大比表面积、高孔隙率和灵活功能的金属有机框架（MOFs）受到了越来越多的关注。一些具有高偶极矩簇不对称结构的MOFs（如UiO-66、CAU-17和Fe-MIL-100）成为有前景的压电材料候选者[23]、[24]、[25]。Mn-MIL-100含有丰富的Mn^III-O键，可以容易地合成出具有高曲率尖端的八面体纳米颗粒[26]。它们表现出类似酶的活性，能够清除过量的ROS并抑制炎症反应，从而促进组织修复[27]。更重要的是，其超四方晶格结构类似于基于Fe的压电MOFs，表明它们具有内在的压电催化活性[28]。基于上述研究，我们提出了一个基于压电异质结构的方案，利用典型的压电材料BaTiO₃和有前景的Mn-MIL-100。该方案利用表面形态和异质界面优势增强电荷传输和积累，从而在US作用下实现电穿孔和大量ROS生成，杀死细菌，如图1所示。我们通过将八面体Mn-MIL-100生长在BaTiO₃纳米管上制备了这种压电组装体（命名为BM）。首次证明了Mn-MIL-100具有压电性能。在US处理下，Mn-MIL-100和BaTiO₃都发生极化；US产生的压电场和BaTiO₃/Mn-MIL-100异质界面处的内建电场空间分离了由US产生的热电荷。正电荷在MOF尖端积累，产生强局部电场。相关机制通过压电力显微镜（PFM）和理论模拟进行了研究。电子-空穴对的分离和尖端正电荷的积累协同作用确保了大量ROS的生成。当细菌入侵时，BM尖端的高电场和局部ROS会在US作用下诱导细菌膜发生电穿孔，抑制肽聚糖合成并改变细菌的刚性。在电穿孔的辅助下，US产生的ROS扩散进入细菌，扰乱细菌的氧化还原平衡，导致细胞内ROS生成增加和细菌ETC过程中断，从而导致细菌死亡。幸运的是，由于Mn-MIL-100的类似纳米酶的特性，BM在没有US的情况下也表现出ROS清除能力，有助于M1型巨噬细胞向M2型转变，减轻炎症，从而促进灭菌后的组织再生。这项研究为利用电穿孔治疗植入物感染提供了新的方法。

方法部分

BNT的合成： BaTiO₃纳米管（BNT）是通过我们之前报道的改性阳极氧化和水热方法制备的[17]。首先，将Ti基底在含有0.08 M NH₄F、0.2 Vol.% HF和2 Vol.%水的乙醇电解质中以80 V电压阳极氧化1小时，得到TiO₂纳米管。随后，样品在含有0.15 M Ba(OH)₂·8H₂O和0.1 M KOH的溶液中于210 °C下水热处理2小时。然后，用去离子水清洗样品并干燥。

制备、微观结构和压电性能表征

压电组装体Mn-MIL-100/BaTiO₃（命名为BM）的制备过程如图1(a)所示。首先，通过阳极氧化和水热处理在Ti基底上制备了平均直径为150 nm的BaTiO₃纳米管（命名为BNT）（图1(b)）。然后，将BNT浸入含有Mn²⁺和三聚酸根阴离子（H₃BTC）的溶液中进行改性溶剂热反应。在此过程中，H₃BTC和三核Mn单元在BNT表面形成超四面体结构。

结论

本研究提出了一种基于压电诱导电穿孔的抗菌策略，用于治疗植入物感染。通过在BaTiO₃纳米管（BNT）上生长八面体Mn-MIL-100，在Ti植入物上制备了一种高曲率压电组装体（命名为BM）。BM的抗菌机制结合了BNT和Mn-MIL-100的压电性能、它们的异质结构形成以及Mn-MIL-100尖端的电荷积累效应。在US处理下，压电BNT和

CRediT作者贡献声明

丁铁新：撰写——原始草稿、可视化、实验研究、数据分析、概念构建。张岚：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、方法论设计、资金争取、数据分析。郭浩哲：实验研究。谢慧慧：方法论设计、实验研究。韩静：方法论设计。吴胜达：实验研究。韩勇：资源支持

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢以下机构的支持：国家自然科学基金（项目编号：52471264）、国家重点研发计划（项目编号：2023YFC2412600）、陕西省自然科学基金（项目编号：2023-JC-ZD-20）以及陕西省发展计划（项目编号：2024SF2-GJHX-36）。同时，感谢西安交通大学的李彦淮教授提供TEM观察支持，以及山东大学的李凯教授提供输出电压数据。