光热MXene嵌入单宁Eu3+颗粒用于海水浸泡感染伤口的原位细菌疫苗

学术背景

海水浸泡伤口由于其低温、高盐和富含细菌的环境，容易引发严重感染，阻碍伤口愈合。传统的抗菌策略往往无法提供长期的抗感染效果，也无法有效促进伤口愈合。为了解决这一问题，研究人员开发了一种新型的多功能伤口敷料，旨在通过杀死细菌并在原位递送细菌抗原来增强对海水浸泡伤口感染的抵抗力。这项研究提出了一种基于MXene嵌入单宁酸-铕（M@TA-Eu）颗粒的策略，通过光热效应杀死细菌并形成原位细菌疫苗，从而加速伤口愈合并提供持久的抗感染效果。

论文来源

这篇论文由Zhentao Li、Ting Song、Yanpeng Jiao、Zijing Zhu、Yang Liao和Zonghua Liu共同撰写，分别来自暨南大学材料科学与工程系、暨南大学生物医学工程系以及中国人民解放军南部战区总医院检验科。论文于2024年12月27日在线发表在Bio-design and Manufacturing期刊上，DOI为10.1631/bdm.2300327。

研究流程与结果

1. 材料制备与表征

a) MXene的制备

研究人员首先通过氢氟酸（HF）溶液对Ti₃AlC₂粉末进行蚀刻，制备了Ti₃C₂ MXene。随后，使用四丙基氢氧化铵（TPAOH）溶液进一步氧化MXene，最终通过冷冻干燥获得MXene粉末。MXene的层状结构和单层/少层分散状态通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）进行了表征。

b) M@TA-Eu颗粒的制备

MXene粉末被加入到单宁酸（TA）溶液中，经过超声处理和搅拌后，加入铕（Eu³⁺）溶液，调节pH至8.5，最终通过离心和冷冻干燥获得M@TA-Eu颗粒。颗粒的形貌和化学性质通过SEM、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱和热重分析（TGA）进行了详细表征。

2. 光热效应与抗氧化活性

a) 光热效应

MXene的引入显著增强了M@TA-Eu颗粒的光热响应能力。在808 nm近红外（NIR）光照射下，颗粒溶液的温度在30秒内迅速上升，显示出高效的光热转换能力。光热效应不仅能够杀死细菌，还能促进抗原递呈细胞的招募，增强疫苗接种效果。

b) 抗氧化活性

单宁酸（TA）的酚羟基赋予了M@TA-Eu颗粒良好的抗氧化性能。实验表明，颗粒对DPPH自由基、H₂O₂和超氧阴离子（·O₂⁻）具有显著的清除能力，并能有效清除细胞内的活性氧（ROS），减轻氧化应激对细胞的损伤。

3. 细胞相容性与抗菌性能

a) 细胞相容性

M@TA-Eu颗粒对人脐静脉内皮细胞（HUVECs）和小鼠成纤维细胞（L929）表现出良好的细胞相容性，低浓度颗粒能够有效促进细胞增殖，高浓度颗粒则表现出剂量依赖性的细胞毒性。

b) 抗菌性能

M@TA-Eu颗粒对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）表现出显著的抗菌活性。在NIR光照射下，颗粒的抗菌效果进一步增强，能够有效杀死细菌并破坏其细胞膜结构。

4. 体内伤口愈合实验

a) 伤口愈合

研究人员建立了海水浸泡感染伤口的Sprague-Dawley大鼠模型，使用M@TA-Eu颗粒进行治疗。实验结果表明，NIR辅助的M2@TA-Eu颗粒能够显著加速伤口愈合，抑制炎症反应，并促进血管再生和胶原沉积。

b) 细菌定植

在伤口治疗3天后，NIR辅助的M2@TA-Eu颗粒能够显著减少伤口部位的细菌定植，显示出强大的抗菌效果。

5. 原位疫苗效果分析

a) 抗原递呈与树突状细胞成熟

NIR辅助的M2@TA-Eu颗粒能够显著促进树突状细胞（DCs）的成熟和抗原递呈，增强体液免疫反应。

b) 抗体产生与细胞因子分泌

在疫苗接种7天后，NIR辅助的M2@TA-Eu颗粒能够诱导高水平的细菌特异性IgG抗体，并促进细胞因子（如TNF-α、IFN-γ、IL-6和IL-4）的分泌，显示出强大的免疫激活效果。

c) 长期抗体水平

在疫苗接种40天后，NIR辅助的M2@TA-Eu颗粒仍能维持高水平的细菌特异性IgG抗体，显示出持久的抗感染效果。

结论与意义

这项研究开发了一种基于MXene嵌入单宁酸-铕颗粒的多功能伤口敷料，通过光热效应杀死细菌并形成原位细菌疫苗，显著加速了海水浸泡感染伤口的愈合，并提供了持久的抗感染效果。该研究不仅为解决复杂和难治性感染伤口提供了新的治疗策略，还为多功能伤口敷料的设计和开发提供了重要的理论和实验依据。

研究亮点

1. 多功能性：M@TA-Eu颗粒集成了光热效应、抗氧化、促血管生成和抗原递呈等多种功能，能够全面促进伤口愈合。
2. 原位疫苗：通过光热效应杀死细菌并形成原位疫苗，提供了持久的抗感染效果。
3. 高效抗菌：NIR辅助的M2@TA-Eu颗粒能够快速杀死细菌，显著减少伤口部位的细菌定植。
4. 持久的免疫记忆：NIR辅助的M2@TA-Eu颗粒能够诱导长期的细菌特异性IgG抗体，显示出持久的抗感染效果。

这项研究为海水浸泡感染伤口的治疗提供了新的思路和方法，具有重要的科学和应用价值。