西南大学康燕堂教授、徐立群教授《AHM》：植酸辅助超声剥离制备黑磷纳米片及其在构建接触和光热协同抗菌涂层中的应用

细菌黏附和定植会导致植入医疗器械的感染（MDAI）。MDAI会增加患者的医疗负担，严重的会引起植入医疗器械的故障，甚至危及患者的生命。对于MDAI，临床一般需要使用抗生素治疗或进行手术清创，然而过度使用抗生素可能会使细菌产生耐药性。因而，对植入式医疗器械表面进行改性和功能化，构建不含抗生素的抗菌涂层显得尤为重要。目前，常用的非抗生素抗感染策略有光热抗菌、光动力抗菌、声动力抗菌以及接触杀菌等。相比单一的抗菌策略，多模式抗菌具有协同作用，能够发挥出更加优异的杀菌性能以及产生更低的副作用。黑磷（BP）是一种二维材料，它仅由磷元素组成，可降解为无毒的磷酸盐、亚磷酸盐和其他磷氧化物，因而具有较好的生物相容性和安全性。此外，BP纳米片拥有较高的光热转化效率，可以作为光热剂应用于细菌根除和肿瘤治疗领域。然而，超声剥离黑磷粉体制备BP纳米片这个过程通常是在有机溶剂中进行的，此方法得到的BP纳米片对其后续的生物医学应用有可能会产生不利的影响。因此，开发一种绿色、简易的BP纳米片制备方法并将所得产物应用于构建光热协同抗菌涂层具有重要的研究意义。

近期，西南大学材料与能源学院康燕堂教授团队开发了一种简单、环保的液相剥离方法，即通过植酸辅助超声剥离黑磷粉体制备BP纳米片（PA@BP NSs）。PA@BP NSs能够与阳离子聚合物（聚季铵盐-2，PQ-2）通过静电吸引或氢键作用复合形成聚集体。在植酸表面黏合以及重力沉降作用下，该聚集体能够沉积在聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面，形成稳定的且具有双模式（接触和光热）抗菌效果的功能化涂层（PA-BP-PQ）。PA-BP-PQ涂层对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌都具有一定的接触杀伤效果，当施加808 nm近红外光照射后，其光热杀菌性能也得到进一步的显现。在大鼠皮下植入感染模型中，PA-BP-PQ涂层同样显示出良好的体内抗感染性能。此外，PA-BP-PQ涂层具有较低的细胞毒性和溶血性，在植入大鼠皮下后对大鼠的主要器官未见明显的损伤。相关工作在2023年11月16日以“Phytic Acid-Promoted Exfoliation of Black Phosphorus Nanosheets for the Fabrication of Photothermal Antibacterial Coatings”为题发表在Advanced Healthcare Materials。

【文章要点】

首先，作者将研磨后的黑磷粉体置于无氧的植酸溶液中进行冰浴超声，得到植酸修饰的BP纳米片（PA@BP NSs），随后使用FESEM、TEM、AFM等手段对剥离后的PA@BP NSs进行表征。从FESEM图（图1a、1b）中可以看出，剥离后的PA@BP NSs呈片状，而未经处理的BP粉体呈块状。TEM图（图1c）显示PA@BP NSs呈现出典型的纳米片状结构，从其高分辨率图像（图1d）可以得到PA@BP NSs的晶面间距约为0.55 nm，这与BP的(002)晶面相对应。图1d的插图为样品的SAED图案，它的衍生圆环与BP的(002) (004) (006)晶面相对应。AFM图（图1e）表明PA@BP NSs为片状结构，通过横截面分析测得其厚度约为1.0 nm。此外，作者还使用了XRD和拉曼光谱对PA@BP NSs进行了分析。PA@BP NSs的晶体结构与标准卡片PDF#09-0020相对应（图1f）。相较于黑磷粉体，PA@BP NSs的拉曼峰出现了略微的蓝移（图1g），这与BP NSs的拉曼峰会随着其层数的减少而移动到更高的波数有关。以上结果充分证明了通过植酸辅助超声剥离黑磷粉体能够成功地制备PA@BP NSs。

植酸辅助超声剥离黑磷粉体还能够提高所得产物的水溶液稳定性和抗氧化性能。相较于只在纯水中超声剥离的H2O@BP NSs，PA@BP NSs在808nm波长处的吸光度能够较长时间地保持稳定（图1h）。由于BP NSs在水中会与氧气和水发生不可逆反应，生成磷氧化物（即P2O4或P2O5）。从XPS P 2p高分辨谱图（图1i）可以看出，PA@BP NSs表面的磷氧化物（PxOy）含量明显少于H2O@BP NSs。

图1：PA@BP NSs的形貌、结构和稳定性表征

PA@BP NSs与阳离子聚合物（PQ-2）作用后能够沉积在PDMS表面，形成稳定的PA-BP-PQ涂层。PDMS-PA-BP-PQ表面在近红外区有较强吸收，用808 nm（1.5 W/cm-2）激光照射10分钟后，PDMS-PA-BP-PQ表面温度可升高至64 ℃左右。该温度远高于同等条件下空白PDMS和未光照PDMS-PA-BP-PQ表面的温度。PA-BP-PQ涂层也显示出了良好的光热循环稳定性。

鉴于PA-BP-PQ涂层具有良好的光热性能，作者采用平板涂布法、FESEM观察及细菌活死染等实验来评估其对金黄色葡萄球菌(S. aureus)和大肠杆菌(E. coli)的双模式（接触和光热）杀菌效果。从平板涂布法实验（图2a）和计数数据（图2c、2d）分析来看，PA-BP-PQ涂层对病原菌有一定的杀菌效果，而在近红外光照射下，其抗菌性能得到进一步增强，杀菌率能够超过95%。从FESEM图像（图2b）中可以看出，近红外光照射后的PA-BP-PQ涂层表面细菌膜形态出现了严重破损。细菌活死染实验（图2g）表明，与空白PDMS相比，PA-BP-PQ涂层表面绿色荧光信号（活细菌）减弱，而红色荧光信号（死细菌）增强。当施加近红外光照后，PA-BP-PQ涂层表面的红色荧光信号进一步加强。为了探索PA-BP-PQ涂层的抗菌机制，作者还研究了光照前后S. aureus的ONPG水解活性和蛋白泄漏情况。如图2e、2f所示，经近红外照射的PA-BP-PQ涂层组的ONPG水解速度最快，泄露出的蛋白量也最多。上述结果表明，经近红外照射的PA-BP-PQ涂层可以有效地破坏细胞膜结构的完整性，并展现出良好的双模式（接触和光热）抗菌特性。

图2：PA-BP-PQ复合涂层的抗菌性能

图3：PA-BP-PQ涂层的体内抗感染性能

最后，作者利用大鼠皮下植入感染模型来验证PA-BP-PQ涂层的体内抗感染性能。将空白PDMS和PDMS-PA-BP-PQ植入SD大鼠的背部皮肤下层，随后在皮肤与植入物之间接种S. aureus。在近红外照射下，使用红外成像仪记录有植入物的皮肤温度随照射时间的变化。从图3a-c中可以看出，与空白PDMS表面相比，体内植入的PDMS-PA-BP-PQ表面在近红外光照射后依然有较明显的温升。将SD大鼠饲养一周并处死后，切开接触植入物的皮肤组织，发现植入PDMS-PA-BP-PQ（L+，施加近红外光照）的大鼠皮下未出现脓液，而植入空白PDMS及PDMS-PA-BP-PQ（L-，未施加近红外光照）的大鼠皮下均产生大量的脓液。将植入物取出，通过超声使其表面黏附的细菌脱落，再通过平板涂布法进行计数统计（图3d、3e）。与植入的空白PDMS表面相比，PDMS-PA-BP-PQ（L-）和PDMS-PA-BP-PQ（L+）表面存活的细菌数量分别减少了60%和96%。此外，作者还对大鼠的皮肤组织和主要器官进行了组织学检查。使用革兰氏染色观察大鼠皮肤组织的感染情况，从图3f可以看出，PDMS和PDMS-PA-BP-PQ（L-）植入物接触的皮肤组织周围的细菌非常明显，而在PDMS-PA-BP-PQ（L+）植入物周围的组织中仅观察到少量细菌菌落。使用H&E染色对大鼠的主要器官（如心、肝、脾、肺和肾）进行切片观察，结果表明无论在光照或不光照的情况下，PDMS-PA-BP-PQ植入物对大鼠的主要器官均不会造成明显损伤。作者还对大鼠的血常规指标进行了分析，发现PDMS-PA-BP-PQ植入组的关键血常规数据均在健康大鼠的正常指标范围内。上述研究结果表明，PDMS-PA-BP-PQ具有较好的体内抗感染性能，同时兼具良好的生物安全性。

【结论与展望】

在本研究中，作者证实了植酸可以辅助超声剥离黑磷粉体以制备BP纳米片（PA@BP NSs）。随后，作者发现通过静电吸引和氢键作用，PA@BP NSs和阳离子聚合物（PQ-2）能够形成纳米复合材料（PA-BP-PQ），并稳定地沉积在PDMS表面（PDMS-PA-BP-PQ）。PDMS-PA-BP-PQ具有较好的光热和接触杀菌功能，在体外和体内抗菌实验中均得到充分验证。这项研究提出了一种绿色、简便的BP NSs的制备方法，也通过构建功能化涂层拓展了BP NSs在光热抗菌领域的应用。

通讯作者：Kang En-Tang (康燕堂)

西南大学材料与能源学院教授、博士生导师，新加坡国立大学荣誉退休教授，国家引进海外高层次人才。主要从事高分子材料研究，致力于光电信息功能材料结构设计与表界面性能调控、材料表界面修饰与改性, 生物医用材料表面改性等工作。近年来以通讯作者/第一作者在 Chem. Soc. Rev., Prog. Polym. Sci., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Mater. Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Lett, Macromolecule, ACS Appl Mater Interfaces等期刊发表研究论文及综述800多篇；受邀撰写著作章节25篇；申请并获授权国际专利25项，其中美国专利11项；在国际学术会议上做受邀/主旨/大会报告60余次；主持新加坡教育部、环境局、科技局等基金项目20多项。

通讯作者：徐立群

西南大学材料与能源学院教授、副院长，本科毕业于东南大学，博士毕业于新加坡国立大学。入选重庆市引进高层次人才、重庆市巴渝学者青年学者、2022和2023年全球前2%顶尖科学家“年度影响力”榜单（高分子领域）。获批“生物功能表界面”重庆市高校创新研究群体和“生物医用材料”重庆市研究生导师团队。致力于材料表面功能化及改性研究，在抗菌材料、多功能抗菌涂层等方面有着深厚的研究基础，发展了基于贻贝粘蛋白、单宁酸和植酸表界面作用的设计策略与构建方法。以第一作者或通讯作者在Prog. Polym. Sci., Adv. Sci., Macromolecules, Adv. Healthc. Mater., Bioact. Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces等杂志发表论文50余篇，总计他引4200余次，H-index为39。授权国家发明专利7件，撰写英文书章节3篇。主持国家重点研发计划重点专项1项和国家自然科学基金4项。荣获川渝产学研创新成果二等奖1项。

封面来源于图虫创意