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  深層細(xì)菌感染（DBIs）具有頑固性和對(duì)組織的深層滲透能力。消除深層頑固細(xì)菌和促進(jìn)組織再生面臨巨大的挑戰(zhàn)。本文設(shè)計(jì)了一種新型的細(xì)菌響應(yīng)水凝膠（SFT-B Gel），可用于DBIs實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和近紅外二區(qū)深層光熱治療（NIR-II PTT）。以甲基化三嗪（TPT³⁺）浸染后的絲素蛋白溶液為骨架，與超離液陰離子（B₁₂H₁₂^2-）通過(guò)離液效應(yīng)交聯(lián)形成SFT-B Gel。此外，SFT-B Gel表現(xiàn)出DBIs的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力，在細(xì)菌存在的情況下，可以被細(xì)菌原位還原生成TPT^2+?自由基。含自由基的SFT-B Gel（SFT-B★ Gel）具有較強(qiáng)的NIR-II吸收和優(yōu)異的光熱效應(yīng)，可以快速消除DBIs和促進(jìn)感染組織快速愈合。本研究為利用離液效應(yīng)構(gòu)建具有獨(dú)特性能的智能水凝膠提供了新的途徑。

圖1. 離液效應(yīng)誘導(dǎo)絲素蛋白溶液Sol-Gel轉(zhuǎn)化以及細(xì)菌原位響應(yīng)NIR-II深層光熱抗感染

  近期，武漢科技大學(xué)王曉強(qiáng)副教授基于硼簇的離液效應(yīng)開(kāi)發(fā)了一種具有DBIs實(shí)時(shí)感染監(jiān)測(cè)和NIR-II深層PTT的新型可注射水凝膠（SFT-B Gel）（圖1A）。首先，絲素蛋白（SF）利用靜電相互作用與甲基化三嗪（TPT³⁺）結(jié)合形成SFT Sol，作為水凝膠前體。然后，通過(guò)TPT³⁺和B₁₂H₁₂^2-之間的離液效應(yīng)實(shí)現(xiàn)溶膠-凝膠（Sol-Gel）轉(zhuǎn)變，誘導(dǎo)絲素蛋白交聯(lián)。結(jié)果表明，隨著B₁₂H₁₂^2-水溶液不斷加入到SFT Sol中，可以制備出具有自愈合性能和可注射性的SFT-B Gel（圖1B）。在DBIs中，甲基化TPT³⁺可以被兼性厭氧菌（如E. coli和S. aureus）原位還原生成自由基形式（TPT^2+?），并伴有明顯的顏色變化（從白色變?yōu)楹谏?/span>。超分子晶體通過(guò)離液效應(yīng)形成的空間效應(yīng)和自旋密度的離域極大地穩(wěn)定了TPT^2+?自由基。SFT-B★ Gel在NIR-II范圍內(nèi)表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸收和優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換效率（38.13%），具有卓越的抗菌效果。此外，SFT-B Gel還可以作為組織工程支架，具有出眾的生物相容性和生物降解能力，有助于促進(jìn)感染組織快速愈合（圖1C）。該工作以“Chaotropic Effect Induced Sol-Gel Transition and Radical Stabilization for Bacteria-Sensitive Near-Infrared Photothermal Therapy”為題發(fā)表在《Nano Letters》期刊上（https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c00860）。文章共同第一作者是武漢科技大學(xué)李文珍博士以及王子鑫博士。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、湖北省人才計(jì)劃和煤轉(zhuǎn)化與新型炭材料湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。

1. 離液效應(yīng)促進(jìn)溶膠-凝膠（Sol-Gel）轉(zhuǎn)化

  如圖2B-E所示，通過(guò)離液效應(yīng)，TPT³⁺與B₁₂H₁₂^2-緊密排列，形成塊狀或棒狀的超分子晶體（TPT-B₁₂），而在SFT-B Gel中，TPT-B₁₂的形態(tài)發(fā)生了明顯的變化，形成直徑150 nm球形納米顆粒（圖2F，G），并且在冷凍干燥后觀察到多孔交聯(lián)水凝膠結(jié)構(gòu)（圖2H-J）。

圖2. TPT-B₁₂的單晶X-Ray衍射（SXRD）結(jié)構(gòu)及TPT³⁺與B₁₂H₁₂^2-之間的相互作用

2. 細(xì)菌響應(yīng)原位還原與NIR-II光熱效應(yīng)

圖3. 細(xì)菌原位還原SFT-B★ Gel及體外NIR-II（1064nm，0.5 W/cm²）光熱抗菌效果

  細(xì)菌響應(yīng)原位還原如圖3A所示，SF Sol、SFT Sol以及SFT-B Gel與細(xì)菌菌液共培養(yǎng)24后，SFT Sol與SFT-B Gel均出現(xiàn)明顯的顏色變化，SFT Sol從白色變?yōu)闇\黃色，而SFT-B Gel從白色變?yōu)楹谏D3B，C所示的紫外-可見(jiàn)（UV-Vis）光譜變化和電子順磁共振（EPR）波譜變化進(jìn)一步說(shuō)明，共培養(yǎng)后發(fā)生顏色變化是因?yàn)榧谆海?/span>TPT³⁺）被細(xì)菌原位還原生成TPT^2+?自由基形式導(dǎo)致的，且在600~1200 nm范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的吸收，在NIR-II激光（1064 nm，0.5 W/cm²）照射下具有顯著的光熱效應(yīng)和光熱穩(wěn)定性（圖3E，F）。基于此，對(duì)SFT-B Gel在NIR-II的PTT抗菌活性進(jìn)行了研究。如圖3G，I所示，SFT-B★ Gel顯示出NIR-II光熱抗菌效果，E. coli和S. aureus抗菌效率分別達(dá)到99%和98%以上。此外，經(jīng)SFT-B★ Gel Light組處理后的細(xì)菌SEM成像顯示，細(xì)菌出現(xiàn)嚴(yán)重的損傷和內(nèi)容物泄漏，說(shuō)明SFT-B★ Gel在NIR-II激光照射下具有顯著的光熱抗菌能力（圖3H）。這種設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)菌的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)識(shí)別，也為處理DBIs提供了一種潛在的新策略。

3. 組織工程支架與NIR-II光熱治療DBIs

圖4. SFT-B Gel作為組織工程支架與體內(nèi)NIR-II光熱治療DBIs

  SFT-B Gel作為組織工程支架具有良好的生物相容性。如圖4B-D所示，與SF Sol、SFT Sol和TTP-B₁₂相比，SFT-B Gel顯示出與絲素-單寧酸水凝膠（SF-TA Gel）相同的促進(jìn)細(xì)胞遷移和細(xì)胞增殖的能力，說(shuō)明SFT-B Gel適用于體內(nèi)抗感染治療。隨后，如圖4A方案所示，建立小鼠皮下DBIs模型進(jìn)行了體內(nèi)深層光熱治療。如圖4E所示，小鼠皮下注射混有S. aureus菌液的SFT-B Gel后，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，觀察到感染部位出現(xiàn)明顯的顏色變化。之后，在1064 nm激光照射（1.0 W/cm²，5 min）下，SFT-B★ Gel Light組小鼠膿腫部位溫度顯著升高至56.0 ℃（圖4F，G），而其他對(duì)照其溫度變化不明顯。最后，經(jīng)SFT-B★ Gel Light組處理后的膿腫部位快速愈合，在第10天創(chuàng)口基本愈合完全。相應(yīng)地，如圖4K-O所示，各組處理后的感染部位組織液細(xì)菌平板及組織切片進(jìn)一步證實(shí)了SFT-B Gel作為DBIs實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水凝膠敷料和組織工程支架具有突出的臨床應(yīng)用潛在價(jià)值。

小結(jié)

  該工作是團(tuán)隊(duì)近期利用離液效應(yīng)制備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)細(xì)菌感染和NIR-II深層光熱治療DBIs的可注射水凝膠的最新進(jìn)展。該方法采用絲素蛋白（SF）、甲基化三嗪（TPT³⁺）和超離液陰離子（B₁₂H₁₂^2-）構(gòu)建了一種新型的細(xì)菌響應(yīng)可注射水凝膠（SFT-B Gel）。SFT-B凝膠在DBIs微環(huán)境下表現(xiàn)出顯著的細(xì)菌響應(yīng)行為，顏色變化明顯（從白色到黑色），并且在NIR-II（1064 nm）激光照射下具有顯著的光熱效果。此外，SFT-B Gel還具有突出的生物相容性和自降解能力，可以作為組織工程支架促進(jìn)DBIs傷口愈合。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c00860