近日，同济大学杜建忠教授/王国敏教授团队与香港城市大学朱剑豪教授、湘潭大学唐楷为博士合作，构建了一种基于机械力与电子传递作用的机电协同抗菌界面，揭示了抗菌效率与机械力和电之间的量化关系，为植入体抗菌提供了新策略。相关研究成果“Quantifiable relationship between antibacterial efficacy and electro-mechanical intervention on nanowire arrays”发表于《先进材料》(Advanced Materials)。
术后细菌感染是骨植入手术面临的一个重要挑战，基于物理作用的抗菌手段因其不易导致细菌耐药而成为一个前沿研究方向。然而，单一物理方式的抗菌效果通常难以媲美抗生素，导致残存的细菌很容易在短时间内再次形成生物被膜(biofilm)而引发感染。因此，研究不同物理方式联合抗菌并揭示其量化关系具有重要意义。
针对上述问题，研究团队首先利用水热退火法制备了氮化钛纳米线，通过控制样品在反应釜中的摆放位置、反应时间来控制纳米线的取向：水平放置的样品经过2小时反应生成平铺纳米线，反应10小时获得倾斜纳米线，将样品垂直放置并反应10小时得到垂直纳米线，进一步以尿素为氮源进行退火获得电容性较强的氮化钛样品（图1）。
图1. 水热法制备不同取向氮化钛纳米线
利用平板计数法比较了不同样品在不同处理方式下的抗菌效率：与抗菌率在0.3 log以下的平铺纳米线和倾斜纳米线相比，垂直纳米线抗菌效率可达到0.6 log。进一步对垂直氮化钛纳米线进行充电处理可将抗菌率提升至2个log以上，且对革兰氏阳性菌和阴性菌具有相同的抗菌趋势（图2）。这是因为相较于倾斜和平铺纳米线，垂直纳米线对细菌施加了更大的机械应力，而充电后的垂直纳米线产生了机械力与电的协同作用，进一步增强了抗菌效果。
图2. 梯度物理作用下对不同细菌的抗菌效率
利用荧光染色评价了各种处理方式的即时抗菌效率，发现在机械力与电的协同作用下，纳米线的即时抗菌效率显著高于其他对照组；对细菌进行形貌表征，发现在未充电时，纳米线因其可对菌膜产生张力而抗菌，而充电使得纳米线与细菌之间的界面相互作用更强，导致菌膜遭受更严重的破损（图3）。
图3. 纳米线的即时抗菌效果及细菌形貌变化
团队进一步揭示了机电协同抗菌的机制：梯度增加的物理作用可导致菌膜电位逐步降低，说明机械力破坏了菌膜的完整性，而电子传递进一步造成了菌膜电位的失衡；在透射电镜下观察细菌内部结构，发现梯度增加的物理作用可以导致细菌内物质聚集；对细菌内活性氧进行染色，发现梯度增大的物理作用造成了细菌氧化应激反应，从而产生了更多的活性氧（图4）。
图4. 从膜电位、细菌内部结构变化及菌内活性氧角度揭示机电抗菌机制
随后，团队构建了大鼠皮下感染模型并进行植入手术，发现充电后的纳米线可在植入10天内有效防止细菌感染。由于术后感染多发生在植入后的一周内，因此该实验结果初步证明了体内机电协同抗感染的可行性。
图5. 体内抗感染效果对比
同济大学医学院/附属第十人民医院王国敏教授为论文第一作者，同济大学杜建忠教授、湘潭大学唐楷为博士、香港城市大学朱剑豪教授为论文共同通讯作者。该研究得到了国家杰出青年科学基金项目、国家自然科学基金优秀青年科学基金项目、香港医疗卫生基金等资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202212315
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