红磷-金属超声界面工程用于高效清除多重耐药菌感染

注：文末有研究团队简介及本文作者科研思路分析

由于外伤或者骨外科手术而导致细菌入侵的人体深层组织而造成的感染性疾病，通常会因为空间位置的限制和细菌的耐药性及顽强的生存能力而难以被根除，并且会给病患者带来长期的生理痛苦和经济负担。那么，如何以一种高效且非侵入性的治疗策略，来克服空间的障碍并精准治疗位于人体深层组织部位的细菌感染病灶呢？近日，湖北大学刘想梅团队和天津大学吴水林课题组通过一种简易高效并具有普适性的化学气相沉积法（CVD）材料设计理念与策略，制备了可以在生物体内实现可控性超声热效应的红磷-金属异质结材料用于骨植入高效的多重耐药菌灭活治疗。

尽管近几年来，面对癌症、细菌感染等给人类健康带来巨大危险的疾病，科研工作者已经提出了利用外源物理能量引导的治疗策略用于治疗病痛。如包括光热和光动力疗法在内的光疗已经得到了长足的研究，但光有限的穿透能力使其难以治疗一些位于皮下深层次组织的体内疾病。而超声波作为一种穿透性强且空间准确性良好的生物安全物理能量已经被广泛用于临床诊疗。如最典型的超声波与声敏剂材料引导的声动力治疗（SDT），但这一策略的治疗效率常会受限于生物体肿瘤深部组织或感染部位的缺氧微环境。虽然超声波的热效应可以克服这些困难以治疗，如高强度聚焦超声（HIFU）引导的超短时间（0.5-1.0 s）高温（65-100 °C）消融，但短时间内高温很难有效杀灭具有顽强抵抗能力的细菌。并且长时间的高能超声则易导致生物组织的高温造成潜在的损伤。因此，有必要提供一种简便的策略来赋予生物材料能够在生物体内实现可控声热能力。

该团队选择了一种稳定、无毒且具有生物降解性的磷单质同素异形体红磷（RP），通过简易的CVD法，在金属（Ti）表面形成涂层构建了Ti-RP异质界面。这一策略赋予Ti在超声波照射下可以具有重复性的显著升温的能力（升温 > 20 °C），并且在相关的超声电化学和声场测试中，可以发现相比于Ti，在Ti-RP中的声电流变强（Ti-RP = 0.022 mA cm^-2，Ti = 0.012 mA cm^-2）。同时，电化学阻抗测试也表明异质结界面的形成使得超声激发的电子具有了更强的运动能力。此外，声场测试则表明，RP的引入使得Ti对超声波在频率为1 MHz处的吸收显著增强（Ti-RP = 0.053352，Ti = 0.042563）。而根据声电效应的理论可知，超声波在金属或半导体中发生传输时，机械能与介质中的电子/载流子相互作用，产生电子运动、电流、声波衰减或放大等现象。因此这种可控的超声热效应的潜在机制可能是由于在RP中产生的电子参与了载流子的振动、驰豫或电子空穴的重组，将超声机械能转化为声子而导致晶格热振动，最终使得材料对超声的吸收增强。

图1.（a）Ti和Ti-RP声电流测试。（b）Ti和Ti-RP电化学阻抗测试。（c）Ti和Ti-RP吸声系数测试。（d）超声热效应机理示意图。

这一材料设计策略除了在Ti表面实现了超声热效应，并且可以普适性地赋予他金属基底同样的性能；而且这一热效应在体外猪肉组织穿透模拟实验中被证实具有良好的穿透性和升温差异性。该团队将Ti-RP的超声热效应与一氧化氮（NO）气体相结合构建了一种协同抗菌体系，并在体内体外均实现了在骨植入模型中对多重耐药菌良好的灭杀效果。

图2.（a）RP-金属（Metal）的声热效应。（b）Ti，Ti-RP，Ti-RP-SNO体外猪肉组织超声热效应及穿透模拟实验。（c）超声热效应与一氧化氮（NO）协同抗菌体系示意图。（d）协同抗菌体系体外抗菌。（e）协同抗菌体内抗菌。

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是湖北大学硕士研究生关魏和副教授谭磊，湖北大学刘想梅副教授和天津大学吴水林教授为该文的共同通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Ultrasonic Interfacial Engineering of Red Phosphorous–Metal for Eradicating MRSA Infection Effectively

Wei Guan, Lei Tan, Xiangmei Liu, Zhenduo Cui, Yufeng Zheng, Kelvin Wai Kwok Yeung, Dong Zheng, Yanqin Liang, Zhaoyang Li, Shengli Zhu, Xianbao Wang, Shuilin Wu

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202006047

刘想梅博士简介

刘想梅，湖北大学材料学院副教授，湖北省杰出青年基金获得者。博士毕业于香港城市大学，并在香港大学，香港理工大学完成博士后工作。主要研究方向光控抗菌生物材料包括光控抗菌水凝胶敷贴、光照/超声治疗植入体生物膜感染和光控抗菌/抗病毒异质结涂层等。

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的或者想法是怎么产生的？

A：如上所述，我们致力于实现高效的体内深层组织的细菌感染治疗。根据相关报道，已经证实光疗无法穿透较厚的生物组织，而动力学治疗则是受限于环境中的氧气来源且单纯高热治疗会造成不可以的热损伤。因此想要克服这些困难，我们基于已有的工作，从简化材料制备方式，实现具有穿透性的高效能量转化用于体内治疗，选择了无毒低成本的红磷和金属材料作为异质结材料构建原料以达到理想的温和温度可控的热疗清除体内细菌感染。

Q：在该研究中，最主要有哪些创新或者重要探索？

A：本项研究中最主要的创新应当属于，这种超声异质界面工程的材料的设计的提出和相应的材料性能的机理验证试验。同时机理相关的物理理论与材料性能的结合讨论也属于我们团队首次，在这一过程的相应的装置的搭建也是属于相关领域的首次探索。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用以及可能会对其他的工作有什么影响？

A：虽然这种设计仍然局限于大尺寸不可水溶注入材料的表面改性，但研究结果克服了传统的非比热处理的缺点，为声热生物材料的设计提供了一个研究方向。我们认为本研究的后续研究工作可以将这一材料设计理念拓展至纳米颗粒材料设计中，可为超声治疗特别是生物医学材料领域提供新的设计策略和选择。