川大团队研发生物纳米催化膜，能促进皮肤感染伤口的修复，可用于构建组织工程皮肤

自从英国细菌学家亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming）于 1928 年发现青霉素开始，抗生素挽救了无数人的生命。

然而，抗生素耐药性细菌的出现为感染性疾病的治疗前景蒙上了一层阴影，目前已经成为现代医学中一个棘手的问题。

入侵机体的细菌凭借对抗生素的耐药性，可以持续存活、增殖，进而引起严重的炎症反应，阻止伤口的正常愈合，最终导致慢性感染、败血症等，甚至死亡。

据报道，目前全球每年约有 70 万人死于耐药菌感染，预计到 2050 年，将增长至 1000 多万人。治疗由耐药细菌引起的难治性感染变得越来越具有挑战性。

多项研究表明，细菌可以通过多种方式获得对抗生素的耐药性，比如进化出药物外排泵、改变抗生素的靶点、产生降解药物的酶等，从而保护自己免受抗生素的影响。

因此，开发有效的非抗生素策略，以便实现对于耐药菌的彻底治疗显示出极大的吸引力。

声压动力学疗法（SPT，Sono-piezodynamic therapy）是一种利用超声波和超声增敏剂产生大量的活性氧（ROS，reactive oxygen species）来杀死细菌的非抗生素策略，对耐药菌也显示出极佳的清除效率。

声压动力学疗法产生的活性氧能够破坏细菌的脂质和蛋白质的代谢，干扰其呼吸链，从而杀死入侵的细菌。提高局部活性氧水平虽然有助于清除细菌感染，但它也会对邻近的细胞和组织造成损伤，给机体带来不利影响。

因此，活性氧的过度产生是一把双刃剑，它在发挥强大的杀菌作用的同时，也会加剧组织的炎症反应并延迟伤口愈合。

现有的声压动力学疗法本质上并不能模拟体内对抗入侵细菌所进行的活性氧产生和清除的内在平衡。

因此，有必要设计一种生物反应“杠杆”，以平衡声压动力学疗法产生的活性氧水平，重建体内氧化和抗氧化过程之间的平衡，从而实现对感染伤口抗菌和抗炎的作用。

碳化钒 MXene 纳米片（V2C）具有超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶等多种内源性酶样活性，可有效清除过氧化氢、超氧自由基和羟基自由基等活性氧。

这些特性赋予了 V2C 在声压动力学疗法后清除过量活性氧，进而消除活性氧诱导的炎症反应的巨大潜力。

基于上述考虑，四川大学研究员和合作者设计了一款智能纳米催化膜，它由聚乳酸-羟基乙酸共聚物、单层黑磷纳米片/ V2C MXene 生物异质结（2D2-bioHJs，black phosphorus/V2C MXene bio-heterojunctions）组成。

图 | 邓怡（来源：）

该膜可以在声压动力学疗法治疗期间和治疗结束之后调节活性氧水平，有效促进皮肤感染伤口的修复。

在超声作用下，2D2-bioHJs 可以释放出大量的活性氧，破坏细菌的代谢和电子传输链，有效地消除耐药菌。

当超声处理停止时，2D2-bioHJs 能够消除声压动力学疗法产生的活性氧，从而减轻伤口炎症反应。

总的来说，2D2-bioHJs 可以充当“杠杆”作用，有效地实现活性氧产生和湮灭之间的平衡，为工程膜提供抗菌和抗炎特性。

（来源：Advanced Materials）

本次设计合成的 2D2-bioHJs 生物异质结在超声刺激下，对普通细菌和耐药菌均显示出了较好的杀菌效果，同时能够减轻组织炎症、促进组织增生、加速伤口愈合。

在未来若干年内，这一成果有望在以下领域实现具体应用：

其一，用于皮肤创伤治疗。

对于因烧伤、烫伤、化学腐蚀、糖尿病等原因造成的皮肤创伤，2D2-bioHJs 可以作为治疗材料应用于伤口表面，其抗菌作用可以有效防止伤口感染。

同时，2D2-bioHJs 可以发挥其类酶活性，吸收组织细胞坏死所释放的活性氧，减轻伤口炎症，促进皮肤组织增生，有助于加速伤口愈合，减少疤痕的形成。

其二，用于耐药菌感染治疗。

对于由耐药菌引起的感染，如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌等，2D2-bioHJs 可以作为新型的抗菌剂使用。其独特的杀菌机制使其能够对抗那些对传统抗生素耐药的细菌，为耐药菌感染的治疗提供新的手段。

其三，用于生物医学工程。

在生物医学工程领域，2D2-bioHJs 可以作为生物活性材料用于构建组织工程皮肤。通过与其他生物材料的结合，可以制造出具有特定功能的皮肤替代品，用于烧伤、溃疡等皮肤缺损的治疗。

（来源：Advanced Materials）

据介绍，该课题组长期从事生物异质结快速杀菌研究，致力于生物医学与化学工程交叉领域研究，在医用植入体和异质结生物材料精准设计、合成等方面积累了相当丰富的经验。

目前，医工结合是一个前沿的科研方向，学科间的交叉合作总能够碰撞出创新的火花。

研究伊始，该团队在和临床医生的交流合作中发现耐药菌感染是临床实践中一个令人棘手的问题。因此，他们在课题选择阶段就感染性创伤的治疗挑战等问题进行了深入的分析和讨论。

如前所述，传统治疗方法对于药物耐药性菌株的有效性受到限制，而且常常伴随着副作用。基于这一认识，该团队决定将焦点放在利用纳米技术和超声波的新型治疗方案上。

在确定治疗方案之后，课题组开始着手设计合适的纳米材料，并进行初步实验验证。在这个阶段，他们进行了大量的实验工作，包括材料合成、性能测试以及体外实验，借此验证所设计的纳米催化膜在超声作用下产生活性氧的能力以及对细菌的处理效果。

同时，通过转录组分析以更深入地说明材料对耐药性细菌地影响，并验证其抗菌机制。

鉴于 2D2-bioHJs 在体外实验中显示出显著的抗菌治疗效果，因此课题组进一步通过动物实验来验证这些效果的可行性和安全性。

在这个阶段，他们在昆明小鼠中建立创伤模型，并进行治疗效果的评估和体内机制的探究，实验结果证实所合成的智能纳米膜具备良好的抗菌效果和抗炎效果。

最终，相关论文以《利用玫瑰燃料设计的异质结清除耐药性细菌感染和快速皮肤创面再生》（）为题发在 Advanced Materials[1]。

耿冲和何帅为共同第一作者，四川大学华西医院博士和四川大学化学工程学院研究员担任共同通讯作者。

图丨相关论文（来源：Advanced Materials）

在后续研究中，课题组可能会继续优化纳米催化膜，使其在治疗过程中更加高效、安全。他们可能会尝试不同比例的材料组成，调整制备工艺，以获得更理想的性能。

此外，尽管他们对纳米催化膜的工作原理进行了可能的推测，但实际上可能还有许多未知的机制和效应。

因此，该团队可能会进行更深入的研究，探索纳米催化膜与细菌、活性氧以及宿主细胞之间的相互作用机制，以进一步理解治疗效果的形成过程。

如果动物实验结果持续验证了纳米催化膜的疗效和安全性，他们可能会着手进行临床试验，将这项技术应用到临床实践中。

此外，他们也可能会与医院或临床研究机构合作，招募患者进行临床前试验，评估治疗效果和潜在的副作用。如果临床试验取得成功，这项技术可能会进一步推广应用，甚至商业化。

后续，该课题组可能会与医药公司或生物科技企业合作，开发相应的产品，并将其推向市场，以便更多患者受益。

参考资料：

1.Geng, C., He, S., Yu, S., Johnson, H. M., Shi, H., Chen, Y., ... & Deng, Y. (2024). Achieving Clearance of Drug‐Resistant Bacterial Infection and Rapid Cutaneous Wound Regeneration Using An ROS‐Balancing‐Engineered Heterojunction. Advanced Materials, 2310599.

排版：刘雅坤

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