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光响应疗法是基于纳米材料本身独特的光学特性所提出的一种新型外源性治疗策略。然而，大部分纳米材料存在光生载体快速络合、氧吸附性差等缺陷，导致光催化性能严重受限。为了解决这些问题，通过异质结工程开发复合光催化剂已被证明是一种有效的方法。在天然多糖领域，氢键是一种普遍的特征，但它在增强光催化抗菌性能方面的作用尚未得到充分探索。
近日，来自浙江海洋大学的欧阳小琨教授/王楠副教授团队将氧化石墨烯(GO)和ZIF-8形成的异质结通过氢键网络锁定在海藻酸钠/羧化纤维素纳米晶体中，称为SCGZ。与ZIF-8或异质结相比，SCGZ薄膜表现出优异的光催化性能。体外研究表明，SCGZ薄膜具有显著的抗菌能力，能显著加速受损组织的愈合过程。相关研究成果以“Heterojunction functionalized sodium alginate/carboxylated cellulose nanocrystals film enhancing sterilization performance for wound healing”为题于2024年8月2日发表在《Carbohydrate Polymers》上。
方案1 SCGZ薄膜的制备及应用
1.抗菌薄膜的表征
纯SA薄膜的SEM图像显示出不规则、无序和折叠的结构（图1a），加入羧化纤维素纳米晶体后，观察到薄膜表面形貌发生显著变化，结构变得更加有序并呈现出方向性图案（图1b）。图1c显示了合成的ZIF-8的TEM图像，其具有约200 nm的均匀尺寸和规则形状。图1d中的TEM图像描绘了GO/ZIF-8异质结(GZ)，显示了GO和ZIF-8组分之间的明确界面。异质结的加入影响了薄膜的表面粗糙度（图1e）。为了在光学透光率和材料性能之间取得平衡，确定了5 wt%的最佳GZ含量。图1f中的EDX图像说明了元素在SCGZ薄膜中的分布，证实了复合材料的成功合成。XRD分析（图1g）表明，ZIF-8和GZ表现出强结晶；FTIR进一步表明了复合材料的成功制备。
图1 抗菌薄膜的表征
2.复合薄膜的光热与光催化性能
作者对复合薄膜的光热特性进行了评估。体外光热增温效率如图2a所示，加入GO可显着提高薄膜的光热转换效率，加入GO/ZIF-8则进一步提高了光热性能。近红外(NIR)照射5分钟内温度可达到68.3℃，表明具有出色的光热转换效率（图2b），同时具有优异的光热稳定性（图2c）。此外，在波长为808 nm的近红外光照射下，SCGZ可在60分钟内以99.6%的速率降解和消除MB，而纯SA和SC膜主要通过吸附去除有机染料。图2g中的紫外吸收曲线表明，吸附平衡30分钟内吸光度没有明显下降，但在光照后开始呈现明显的下降趋势，证实MB的降解主要归因于催化降解。图2h显示了经过六次降解实验后SCGZ的降解率，没有明显下降，表明其具有良好的光催化稳定性。
图2 薄膜的光热性能
3.抗菌特性
接着，作者采用平板涂布法评价复合薄膜的抗菌能力，以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌分别作为代表革兰氏阴性和阳性致病菌。结果如图3a-b所示。纯SA和SC薄膜的结果与对照相似，缺乏明显的抗菌活性。然而，在近红外光照射后，SCG薄膜的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌菌落数量均明显减少。根据图3b所示的存活率，可以确定SCGZ在808 nm近红外光照射下对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出优异的抗菌效果，抗菌率分别为99.61%和99.75%。图3c为经复合膜处理后细菌的形态变化。
随着光热和光动力效应的增强，ONPG值呈逐渐增加的趋势，其中SCGZ组的ONPG值最高。这表明SCGZ优异的光热和光催化特性对细菌细胞膜的破坏性最强，图3e中细菌蛋白泄漏测定结果证实了这一发现。如图3f所示，细菌的活/死染色显示，当未暴露于NIR时，所有组都表现出明亮的绿色荧光，表明细菌活跃。在NIR光照射后，SA，SC和对照组仍然显示大量的绿色荧光，而SCG组显示红色荧光大幅增加。相反，SCGZ组几乎完全没有绿色荧光。这表明SCGZ的NIR照射引起的协同光热和光动力效应增加了细胞膜的通透性，使ROS对细胞膜造成氧化损伤并渗透到细菌内部攻击生物分子，最终导致细菌凋亡。
图3 薄膜的抗菌效果
4.体外生物相容性
在评估材料是否适合用作伤口敷料时，评估其生物安全性至关重要。如图4a所示，体外溶血试验结果表明，所有实验组均未发生溶血，溶血率远低于5%的国际卫生标准，证实了该材料符合应用所需的安全要求。使用MTT测定法进一步评估了材料的细胞毒性，与第1天相比，所有材料在第3天都显著促进了细胞增殖（图4b）。细胞荧光染色图像如图4d所示，表明细胞在整个增殖期均保持强劲活力。这在SCGZ组中尤为明显，可以清楚地观察到细胞活力的增强。此外，细胞呈现典型的纺锤状形态，表明它们处于良好的生理状态。通过流式细胞术分析了不同材料处理引起的细胞周期变化（图4e）。对照组、3M组和SCGZ处理组的G2+S期细胞比例分别为10.5%、11.9%和14.6%，表明SCGZ可以增强细胞活力。总之，这些实验结果表明制备的SCGZ薄膜具有优异的生物相容性并确保生物安全性，这对于其在体内抗菌治疗应用中的潜在应用至关重要。
图4 薄膜的生物相容性
5.薄膜的伤口修复效果
为了评估SCGZ薄膜在促进细菌感染伤口愈合方面的功效，在感染金黄色葡萄球菌的小鼠背部建立了全层伤口模型（图5a）。对所有组进行了热红外成像，结果显示在图5b中。对照组、3M组和SCGZ组的伤口区域显示小鼠的正常体温。相反，SCGZ + NIR组的局部最高温度达到57.6℃，显示出良好的体内光热特性。通过受伤后11天拍摄的照片记录伤口愈合情况（图5c）。
为了更清楚地说明伤口愈合效率，将伤口区域叠加起来，可视化结果显示在图5d中。很明显，与其他组相比，用SCGZ薄膜治疗并暴露于NIR辐射的小鼠背部愈合率显著提高。图5e中的统计数据显示，经过11天的治疗，SCGZ+NIR组小鼠背部伤口面积缩小至原来的9.5 %，而对照组、3M组和SCGZ组的伤口面积分别为初始面积的58.9 %、46.7 %和22.6 %，说明SCGZ+NIR组的伤口愈合效果明显增强。四组小鼠的体重均无明显变化，表明复合膜对小鼠的整体健康无不良影响（图5f）。第11天，将伤口组织中的细菌培养在LB琼脂平板上，如图5g-h所示。光学照片及统计结果显示，SCGZ+NIR治疗组几乎没有细菌菌落生长，而空白对照组及3M治疗组细菌生长较多，未经NIR照射的SCGZ组亦有较弱的治疗效果，提示光热效应及NIR照射产生的活性氧是促进伤口愈合的主要因素。
图5 薄膜的伤口愈合效果
最后，作者使用H&E染色和Masson三色染色对愈合组织进行组织学分析（图6）。H&E染色结果说明SCGZ+NIR 组在愈合组织中表现出肿瘤毛囊和血管的有序分布，表明上皮化良好（图6a）。通过Masson染色进一步评估和半定量分析愈合组织内的胶原沉积（图6b-c）。SCGZ+NIR组胶原沉积均匀，胶原纤维致密、排列整齐（蓝色区域）。未经NIR照射的SCGZ组胶原纤维密度低于SCGZ+NIR组。3M组和对照组显示未重建区域，胶原纤维沉积不足。通过对愈合组织进行CD31免疫组织化学染色来评估愈合过程对新生血管的影响。图6d-e显示SCGZ+NIR组CD31表达水平在所有组中最高（浅黄色区域），有利于促进伤口组织在重塑阶段的愈合结果，从而形成无瘢痕皮肤。
白细胞介素-6（IL-6）是一种促炎细胞因子，对于评估愈合对组织炎症的影响至关重要。治疗后组织中IL-6的免疫组化染色如图6f-g所示，浅黄色区域表示IL-6阳性，显示SCGZ+NIR组的表达水平最低。这表明SCGZ+NIR治疗可以有效抑制IL-6的表达，从而减轻受损组织修复过程中发生的炎症反应。
图6 伤口处的组织学染色
综上，本研究开发了一种基于天然多糖的光催化薄膜SCGZ，与纯ZIF-8和异质结相比，该薄膜表现出优异的光热和光催化性能。SCGZ薄膜内的氢键相互作用有助于系统的稳定性，从而实现持续的离子抗菌效果。SCGZ薄膜还表现出优异的生物相容性。在近红外辐射下，薄膜的光热效应和活性氧的产生可以有效消灭细菌。体内生物实验证实了该薄膜对细菌感染伤口的卓越治疗效果。该研究利用天然多糖中丰富的氢键，为开发高性能光催化抗菌材料提供了新的见解。
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