​东北大学宋焱焱教授/丁辰教授团队ACS Nano：便携式诊断、按需治疗一体化家用抗菌双层敷料

破损的皮肤容易受到细菌的感染，若不及时治疗则会导致更严重的感染，甚至威胁到人类的健康及生命。因此，从人类健康生活的迫切需要和长远角度出发，构建一个具有鉴别细菌感染类型和按需高效抗菌等功能的多功能伤口敷料是至关重要的。

最近，东北大学理学院宋焱焱教授团队和生命科学与健康学院丁辰教授团队合作，报道了一种集检测、按需治疗一体的多功能皮肤伤口抗菌敷料。该敷料具有两层结构，第一层敷料将耐药菌指示剂引入到了卡拉胶（Carr）水凝胶中，并结合溴百里酚蓝（BTB）和Fe-MOF的pH响应性能，构建了具有比色检测非耐药/耐药（DS/DR）细菌和pH响应释放抗生素功能；第二层以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为骨架，引入力致发光材料作为光催化反应的光源，结合Pt@TiO2独特的LSPR效应，通过机械力诱发“暗态”光催化反应构建了机械动力治疗法，具有对耐药菌进行灭活的功能。该成果以“A “Test-to-Treat” Pad for Real-Time Visual Monitoring of Bacterial Infection and On-Site Performing Smart Therapy Strategies”为题发表于《ACS Nano》上。文章第一作者为博士生赵晨曦，通讯作者为东北大学宋焱焱教授和丁辰教授。

双层抗菌敷料工作原理

如图1所示，当伤口出现DS/DR细菌感染时，第一层水凝胶可以对细菌感染做出快速的响应（黄色：非耐药；红色：耐药菌株感染），并鉴于检测结果对伤口感染部位进行按需治疗。即：黄色出现时，继续贴敷第一层水凝胶使Fe-MOF在酸性环境中发生水解反应释放羧苄青霉素，达到对DS细菌感染治疗的目的；红色出现时，则使用第二层PDMS弹性体贴敷于伤口表面，同时通过按摩、拉伸、触碰等 “运动”行为对PDMS层施加轻微的压力，诱导CaZnOS: Mn2+ 发光，激发Pt@TiO2产生自由基灭活DR细菌，此“暗态”光催化对微生物灭活具有长效的活性。

图1 双层抗菌敷料制备步骤及工作原理示意图。

图2 第一层抗菌敷料材料表征

研究者对第一层抗菌敷料进行了材料表征，可以看到第一层水凝胶呈现3d的多孔结构，表明该敷料具有良好的透气性和吸水性。同时研究者还探究了卡拉胶基底水凝胶的力学性能，可以看到该水凝胶具有较好的力学性能，可以承受100 g砝码的重量并且没有出现破损。

图3 第二层抗菌敷料上机械力诱导“暗态”下自由基生成示意图

在该研究中，研究者采用力致发光材料代替光催化反应的外加光源，构建了机械力诱发的“暗态”光催化反应。从图中可以看到，该“暗态”光催化反应可以被按摩、拉伸、触碰等 “运动”触发。

图4 第一层水凝胶对非耐药/耐药细菌的检测性能测试

研究者对第一层水凝胶的细菌检测性能进行了测试。从图中可以看到，当DS细菌存在时，由于细菌代谢产生的酸性物质使周围环境pH降低，导致第一层抗菌敷料中的BTB分子改变分子构象，从而使水凝胶由绿色变为黄色；反之，当DR细菌存在时，DR细菌会分泌-内酰胺酶，使头孢硝噻吩中-内酰胺环水解，最终使水凝胶颜色由绿色变为红色。

图5 双层抗菌敷料对非耐药/耐药细菌的体外抗菌性能测试

图6 双层抗菌敷料活体检测抗菌性能测试

研究者通体外和活体抗菌实验探究了该双层抗菌敷料的实际抗菌应用性能。实验结果表明该研究制备的抗菌敷料具有较好的实际应用前景

文章小结

该工作利用光还原的方法在力致发光材料（ML, CaZnOS:Mn2+ MPs）表面制备了Pt@TiO2层，结合Pt/TiO2独特的LSPR效应，发展了力致发光诱导的光催化体系。通过在机械力敲击下的超氧自由基检测实验证实了力致发光诱导的LSPR效应提高了Pt@TiO2外层对ML所发可见光的吸收和转化，表明该复合材料在无需外加光源的情况下通过一定的机械力即可实现“光催化”。在此基础上，将该暗态光催化产生的活性氧物种与溴百里酚蓝、Fe-MOF的pH响应结合，构建了集检测、按需治疗一体的皮肤伤口敷料。实验结果表明第一层伤口敷料具有鉴别细菌感染类型（非耐药菌株/耐药菌株感染）及灭活非耐药菌株的功能，第二层伤口敷料具有机械力诱导LSPR光催化反应产生自由基对耐药菌灭活的功能。该伤口敷料集传感、按需治疗于一体，同时兼备了便携、高效抗菌、原位可视化检测细菌感染、自驱动化学动力治疗及压力触发光动力治疗并无需外加设备等多种优点，为发展家庭伤口感染治疗敷料提供了新的设计思路。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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