摘要：压电催化疗法因其无创性和深层组织穿透能力，在细菌感染治疗领域引起了广泛关注。然而，声敏剂在低强度超声（LIU）下的压电响应不足，伴随电荷分离效率低下，显著限制了催化效率，导致灭菌效果不理想。为解决这一难题，研究人员构建了一种由 BiOI 和少层 Mxene 组

研究内容

压电催化疗法因其无创性和深层组织穿透能力，在细菌感染治疗领域引起了广泛关注。然而，声敏剂在低强度超声（LIU）下的压电响应不足，伴随电荷分离效率低下，显著限制了催化效率，导致灭菌效果不理想。为解决这一难题，研究人员构建了一种由 BiOI 和少层 Mxene 组成的压电催化生物异质结（P-bioHJ），用于快速抗菌。

这种精心设计的 P-bioHJ 不仅具有较窄的带隙，能够响应声空化效应产生的声致发光，还能引发界面极化和氧空位的生成，从而促进载流子的有效分离，进而产生大量自由基以实现快速灭菌。转录组分析表明，P-bioHJ 通过干扰细菌电子传递链，破坏细菌的代谢和能量合成来发挥灭菌作用。体外实验显示，P-bioHJ 具有优异的细胞相容性。

此外，体内实验表明，在低强度超声作用下，P-bioHJ 在皮肤感染模型中表现出出色的抗菌性能；通过与柚皮素结合修饰，其在感染性骨缺损模型中还能促进血管生成和成骨作用。正如预期的那样，这项工作为利用声空化效应增强压电催化疗法提供了有价值的见解，推动了感染组织再生修复领域的研究进展。

研究背景

细菌感染可致慢性不愈伤口与严重组织损伤，威胁组织修复。目前临床主要用大剂量抗生素治疗，但易引发耐药性，给医疗体系与患者带来负担，急需可持续替代策略。 压电催化疗法作为创新非侵入性抗菌方式，基于具晶格不对称性声敏剂，有灵活时空选择性与深层组织穿透能力。

声敏剂在超声刺激下极化，载流子与H₂O或O₂反应生成ROS致细菌死亡，治疗效果与电场强度相关。低强度超声（LIU）在临床细菌感染治疗中更受青睐，能降低损伤健康组织风险。然而，开发高效响应LIU的声敏剂面临挑战，现有高介电常数声敏剂可能无法有效响应LIU。 声空化效应会引发声致发光，声敏剂在声致发光下可产生光生电荷对，极化电场促进其迁移，能在LIU下实现满意ROS生成效率。

但水中声致发光波长限制半导体激发，如BaTiO₃等典型高介电常数声敏剂因激发能量不足和宽带隙，在LIU下治疗细菌感染效果有限。设计具适当能带结构、能响应声致发光的声敏剂，结合压电与光催化协同效应，可提高ROS生成效率。二维BiOI因窄带隙和适当氧化还原电位，以及非中心对称结构表现出的压电性能，成为潜在光催化材料，但低介电常数和窄带隙阻碍其压电性能发挥。

构建肖特基异质结可促进界面电荷重组，提升电荷分离效率，少层二维Mxene（Ti₃C₂）是构建异质结的有前景材料。用少层Ti₃C₂与BiOI构建压电催化生物异质结（P-bioHJ），可提升BiOI压电催化治疗效率，异质结界面电荷重新分布刺激表面氧空位缺陷形成，增强BiOI压电性能，促进含氧中间体吸附并降低自由基生成反应活化能，表面氧空位还可促进载流子分离。因此，具有表面氧空位的BiOI/Ti₃C₂（BT）P-bioHJ作为声敏剂有巨大潜力。

本研究报道一种含表面氧空位的新型P-bioHJ，由BiOI、Ti₃C₂和具成骨诱导及抗炎特性的柚皮素组成。通过自下而上静电吸附法在Ti₃C₂表面原位合成BiOI，后将柚皮素@BiOI/Ti₃C₂（N@BT）涂覆到3D打印的聚醚酮酮（PEKK）支架上，验证其抗菌治疗能力。在LIU下，内置电场、界面电场与表面氧空位协同促进载流子有效分离，产生抗菌活性。体外和体内研究证实，P-bioHJ能抑制细菌增殖，促进巨噬细胞极化，减轻炎症并促进组织修复。转录组分析揭示其增强载流子分离致ROS激增，破坏细菌辅酶合成和电子传递的机制。两种体内模型研究表明，P-bioHJ抗菌效果显著且生物安全性高，能促进组织再生。总体而言，该P-bioHJ介导的压电催化治疗策略克服了传统声敏剂在LIU下的局限性，实现了细菌感染的高效治疗和组织修复。

方案1智能P-bioHJ的示意图。a）P-bioHJ的制备。b）由LIU激活的压电催化治疗驱动。c）相应的抗菌和组织修复机制。

研究结果

图1.P-bioHJ的表征。a)P-bioHJ制备示意图。b)不同纳米片的FE-SEM图像。（紫色和蓝色片状物分别代表BiOI和Ti3C2）。c)BT的AFM图像。d) TEM，e) HRTEM，f) SAED模式。g)BT的元素映射。h)BiOI和BT的XRD模式。i)BT和N@BT的FTIR。j)BiOI和BT的低温ESR。k)不同样品的XPS全谱，l)O 1s拟合谱，m)BiOI和BT的Bi 4f。

图2.压电-光学性质表征。a)BiOI、Ti3C2和BT的紫外-可见差示电阻光谱及b)Tauc曲线。c)BiOI、Ti3C2和BT的扫描电子显微镜透射电子能谱。d)BiOI和BT的压电电流和e)电气阻抗曲线。f)BiOI和BT的光致发光及g)暂态光致发光光谱。h)BT的振幅和相位曲线。i)不同压力下表面压电势生成的有限元分析，(j)相同压力下BT和BiOI的压电位移和表面压电势。k)BT压电催化增强机制示意图。

图3.样品的压电催化性能及DFT模拟。a)·O2-、b)·OH和c) 1O2的生成机制。d)不同样品中·O2-、e)·OH和f) 1O2的活性氧检测。g)BT组的功率函数模拟，h)BiOI、Ti3C2和BT的氧吸附能，i)BT的巴德电荷（蓝色区域表示获得的电子，黄色区域表示失去的电子），j)能带结构，k–l)BT的态密度和PDOS。m)通过压电催化生成的BT活性氧机制。

图4.P-bioHJ体外压电催化抗菌能力。a)大肠杆菌和c)金黄色葡萄球菌经不同样品处理后的细菌菌落图片。b)大肠杆菌的存活率，以及(d)金黄色葡萄球菌的存活率。e)不同样品孵育后大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的FE-SEM形态。黄色五角星表示细菌破裂。f)E.coli和S. aureus在LIU下与N@BT接触后的TEM形态。g)通过LIVE/DEAD染色重建的处理后细菌生物膜的3D图像。h)体外细菌杀灭过程示意图。每组n = 3；p值通过单因素方差分析评估；*：p

图5.细菌金黄色葡萄球菌经PBS和N@BT处理后的转录组分析。a)主成分分析。b)火山图。c)显著表达基因的热图。d)差异基因的GO富集分析。e)差异基因的KEGG富集分析。f)呼吸链和脂质过氧化相关基因。呼吸链复合体测试，g)复合体I，h)复合体III，i)复合体IV。j)测试细菌ATP和(k) DNA损伤。l)细菌电化学测试，包括BT和BT与金黄色葡萄球菌的测试。m)呼吸链干扰示意图。每组n = 3；p值通过单因素方差分析评估；*：p

图6.体外细胞相容性和成骨性评估。a)实验方案示意图。b)MC3T3细胞在不同支架上孵育后的活/死染色3D CLSM图像。c)第14天和第21天的ARS染色。d)氰酸盐，e) BMP-2和f) ALP的免疫荧光染色。g)ARS活性的相应半定量评估。h)氰酸盐，i) BMP-2和j) ALP的相应半定量评估。每组n = 3；p值通过单因素方差分析评估；*：p

图7.植入物感染的体内治疗。a)动物实验过程示意图。b)感染植入物的细菌菌落和浑浊液体的照片。c)骨周组织感染的苏木精-伊红染色和d)吉姆萨染色（箭头B表示炎症细胞，箭头D表示细菌）。e)大鼠体内IVIS分析，实时检测不同治疗方法对DiD标记金黄色葡萄球菌的影响。f)通过600纳米处的OD值对浑浊液体进行相应的定量评估。g)对h)苏木精-伊红染色和(f)吉姆萨染色的相应半定量评估。每组n = 3；p值通过单因素方差分析评估；*：p

图8.新骨生长进入支架的数量和速度。a)新骨组织的微CT扫描示意图。b)股骨髁的Imaris分析，从上到下：股骨髁缺损重建、新骨侧视图和新骨顶视图（红色显示新骨）。c)新骨生长速率分析（ARS（红色）和Calcein（绿色）分别标记4周和6周的新骨）。通过微CT三维重建量化再生骨组织相关指标，包括d)骨体积/总体积比（BV/TV），e)骨密度（BMD），f)杏仁板数量（Tb. N）。g)从第4周到第6周的矿化附着率（MAR）的量化。每组n = 3；p值通过单因素方差分析评估；*：p

图9.新骨长入的微观结构和机制。a)未脱钙骨组织在第4周和第8周的H&E、Goldner和甲苯胺蓝染色。b)第8周新骨的��-SMA/CD31免疫荧光染色，c)第8周新骨的BMP-2/OCN免疫荧光染色，d)第8周新骨的CD206/iNOS免疫荧光染色。e) H&E染色、f) Goldner染色和g)甲苯胺蓝染色的相应定量分析。h)BMP-2和氰酸盐的相应定量分析。每组n = 3；p值通过单因素方差分析评估；*：p

研究结论

总的来说，我们通过界面工程和缺陷工程策略，创新性地设计了一种LIU（低频超声）激活的P-bioHJ，其通过增强压电响应实现高效压电催化治疗细菌感染。P-bioHJ在LIU下展现出良好的活性氧（ROS）生成能力，这归因于其对声空化效应的建设性响应以及电荷载流子的有效分离，能够通过破坏细菌膜电位和呼吸链电子转移来强力对抗细菌感染。随后，转录组分析和电化学研究表明，ROS攻击会导致细菌代谢和能量合成异常。此外，体外实验表明P-bioHJ具有优异的细胞相容性，体内实验证明，在LIU作用下的皮肤感染模型中，P-bioHJ表现出出色的抗菌性能，并且通过柚皮素修饰，在感染性骨缺损模型中可促进血管生成和成骨作用。我们的研究结果证实，设计具有适当带隙和优异载流子分离效率的P-bioHJ，通过合理利用声空化效应，可在LIU下实现令人满意的压电催化治疗效果。

参考文献

来源：未央战歌