一种由铜纳米簇介导的三模态聚乳酸（PLLA）支架：通过级联光热-Fenton催化作用实现生物膜清除及抗菌效果

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：A copper nanocluster-mediated trimodal PLLA scaffold: Cascade photo-themal-Fenton catalysis for biofilm removal and antibacterial storm

光动力抗菌材料Cu-g-C3N4/PLLA支架通过调节能带结构、增强光热效应及类Fenton反应协同提升ROS产量，有效破坏细菌生物膜并穿透细胞膜杀菌，抗菌率达97.8%-98.9%。

　　

Fangwei Qi|Zhongxing Zou|Xiaojuan Guo|Huixing Li|Xiuwen Gao|Dongan Wang|Shuping Peng|Cijun Shuai

江西省植入式医疗设备增材制造重点实验室，江西科技大学，南昌 330013，中国

摘要

石墨相碳氮化物（g-C₃N₄）由于其显著的带隙可调性和光学性能，在光动力抗菌领域受到了广泛关注。然而，其光动力抗菌效果受到电子-空穴快速复合以及生物膜对活性氧（ROS）的阻碍作用的限制。本文通过将Cu纳米簇（Cu NCs）分散在g-C₃N₄纳米片上，制备出了一种具有催化作用的材料。一方面，Cu NCs的引入降低了带隙和工作函数，增强了电子-空穴的分离；另一方面，Cu NCs通过局部表面等离子体共振产生光热效应，从而破坏生物膜。此外，Cu NCs还表现出类似芬顿反应的特性，进一步促进了ROS的生成。随后，这种Cu-g-C₃N₄纳米片被结合到聚L-乳酸（PLLA）支架中。XPS结果证实了Cu纳米晶体中存在Cu（I）和Cu（II）两种价态，而XRD则验证了Cu纳米晶体嵌入了g-C₃N₄的层间空间。光致发光和电子自旋共振实验表明，该支架增强了电子-空穴对的分离能力，并提高了ROS的生成量。热成像和结晶紫染色结果显示，在近红外（NIR）光照射下，该支架能够有效去除生物膜。因此，该支架通过破坏细菌细胞膜来杀死细菌，对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌率分别达到了97.8%和98.9%。

引言

植入物相关感染（IAI）一直是一个主要的临床挑战，全球植入物相关感染的发生率约为20% [1]，[2]。传统的治疗方法包括长期全身抗生素治疗或局部抗生素治疗 [3]。尽管这些方法成功率较高，但它们不仅带来了沉重的经济负担，还导致了耐药细菌的出现，对人类健康和生命构成了严重威胁 [4]，[5]。因此，迫切需要制定一种安全、有效的替代抗菌策略。

光动力疗法（PDT）被认为是一种可靠的治疗方法，因为它诱导耐药性的风险较低且全身毒性小 [6]，[7]。PDT利用光敏剂在光的作用下激活ROS来杀死细菌 [8]，[9]。其中，具有三嗪环结构的石墨相碳氮化物（g-C₃N₄）具有光响应性和高物理化学稳定性，在生物医学和环境修复等多个领域展现出广阔的应用前景 [10]，[11]。例如，Liu等人制备了多孔缺陷g-C₃N₄纳米片，在近红外光下产生活性氧化物种，有效杀灭细菌 [12]；Xiao等人合成了富含氨基的多孔g-C₃N₄纳米片，表现出优异的杀菌性能 [13]。然而，PDT的抗菌效果受到电子-空穴对超快复合以及细菌生物膜形成的强大阻碍 [14]，[15]。

基于铜的催化剂因其独特的价电子结构而被广泛用作H₂O₂激活剂 [16]，[17]，[18]。铜纳米晶体（Cu NCs）可以利用量子尺寸效应改善能级结构并降低工作函数，从而促进电荷转移 [19]，[20]。在近红外光照射下，Cu NCs会产生等离子体共振效应，产生局部光热能量 [21]。此外，g-C₃N₄的层状结构形成了层间空隙，为金属簇提供了充足的装载空间 [22]，[23]。因此，将Cu NCs锚定在g-C₃N₄上有望建立匹配的能级结构，抑制e^?-h⁺复合。同时，Cu NCs产生的局部光热效应可以抑制生物膜的形成并增强ROS的渗透 [24]；此外，Cu NCs还表现出类似芬顿反应的特性，进一步促进ROS的生成 [25]，[26]。

在本研究中，通过将Cu NCs锚定在g-C₃N₄上制备了Cu-g-C₃N₄纳米片，并将其与聚L-乳酸（PLLA）支架混合，通过激光增材制造技术制备出具有抗菌活性的复合材料（图1）[27]，[28]。系统地表征了这些纳米片的物理化学性质，并通过评估复合材料的光电化学性质深入研究了PDT增强的机制。此外，Cu NCs还表现出表面等离子体共振（SPR）效应，能够产生局部热量。同时分析了复合支架的光热疗法（PTT）特性，并通过检测生物膜进一步量化了其抗菌效果。此外，还评估了复合支架的生物相容性。因此，本研究有望为植入物感染的治疗提供新的见解。

材料与试剂

PLLA颗粒由Boli Biomaterials有限公司（中国深圳）提供。三聚氰胺、Cu(NO₃)₂·3H₂O（99%）、L-抗坏血酸、亚甲蓝（MB）、磷酸盐缓冲盐水（PBS）、CCK-8、4′,6-二氨基-2′-苯基吲哚（DAPI）和4%甲醛固定液由Aladdin Reagent有限公司（中国上海）提供。

材料合成与支架制备

g-C₃N₄的合成步骤主要基于先前发表的文献 [29]。g-C₃N₄是通过热聚集方法制备的。在经典工艺中，5克...

TEM分析

图2a展示了Cu-g-C₃N₄纳米片的合成过程。通过液相剥离法将块状g-C₃N₄剥离成超薄纳米片，得到厚度显著降低的二维（2D）纳米结构分散体。然后将其与经过处理的抗坏血酸和硝酸铜混合溶液超声搅拌后干燥，最终产物为Cu-g-C₃N₄纳米片。复合支架的制备...

结论

本研究将Cu-g-C₃N₄复合材料结合到PLLA支架中，实现了PTT和PDT联合抗菌疗法。结果表明，在近红外光照射下，PLLA/Cu-g-C₃N₄支架的ROS生成能力显著增强。这种增强效应归因于Cu NCs的引入，它促进了光生载流子的分离和迁移，从而提升了催化活性。

CRediT作者贡献声明

Fangwei Qi：撰写初稿、软件应用、方法设计、实验研究、数据分析、概念构建。 Zhongxing Zou：撰写初稿、数据管理。 Xiaojuan Guo：数据可视化、实验研究。 Huixing Li：撰写与编辑、数据可视化。 Xiuwen Gao：软件应用、方法设计、实验研究。 Dongan Wang：资源协调、方法设计、实验研究。 Shuping Peng：软件应用、资源协调、实验研究。 Cijun Shuai：撰写与编辑、监督工作、资源调配、资金支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了以下项目的支持：（1）中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFB4605800）；（2）江西省自然科学基金（项目编号：20252BAC220033）；（3）国家自然科学基金（项目编号：52475362、52365046、52465041）；（4）江西省自然科学基金（项目编号：20224ACB204013）；（5）江西省植入式医疗设备增材制造重点实验室（项目编号：2024SSY11161）；（6）四川省开放项目。