近日，恒达平台杜建忠教授/王國敏教授團隊與香港城市大學朱劍豪教授、湘潭大學唐楷為博士合作🥟🤙，構建了一種基於機械力與電子傳遞作用的機電協同抗菌界面，揭示了抗菌效率與機械力和電之間的量化關系，為植入體抗菌提供了新策略。相關研究成果“Quantifiable relationship between antibacterial efficacy and electro-mechanical intervention on nanowire arrays”發表於《先進材料》(Advanced Materials)🤌🏼。

術後細菌感染是骨植入手術面臨的一個重要挑戰，基於物理作用的抗菌手段因其不易導致細菌耐藥而成為一個前沿研究方向。然而，單一物理方式的抗菌效果通常難以媲美抗生素，導致殘存的細菌很容易在短時間內再次形成生物被膜(biofilm)而引發感染。因此，研究不同物理方式聯合抗菌並揭示其量化關系具有重要意義。

針對上述問題😽，研究團隊首先利用水熱退火法製備了氮化鈦納米線，通過控製樣品在反應釜中的擺放位置🪹、反應時間來控製納米線的取向：水平放置的樣品經過2小時反應生成平鋪納米線，反應10小時獲得傾斜納米線🤠，將樣品垂直放置並反應10小時得到垂直納米線，進一步以尿素為氮源進行退火獲得電容性較強的氮化鈦樣品（圖1）✴️。  

圖1. 水熱法製備不同取向氮化鈦納米線

利用平板計數法比較了不同樣品在不同處理方式下的抗菌效率：與抗菌率在0.3 log以下的平鋪納米線和傾斜納米線相比，垂直納米線抗菌效率可達到0.6 log🦵。進一步對垂直氮化鈦納米線進行充電處理可將抗菌率提升至2個log以上👤，且對革蘭氏陽性菌和陰性菌具有相同的抗菌趨勢（圖2）。這是因為相較於傾斜和平鋪納米線👬🏻，垂直納米線對細菌施加了更大的機械應力，而充電後的垂直納米線產生了機械力與電的協同作用，進一步增強了抗菌效果。

圖2. 梯度物理作用下對不同細菌的抗菌效率

利用熒光染色評價了各種處理方式的即時抗菌效率，發現在機械力與電的協同作用下，納米線的即時抗菌效率顯著高於其他對照組；對細菌進行形貌表征，發現在未充電時，納米線因其可對菌膜產生張力而抗菌🩱，而充電使得納米線與細菌之間的界面相互作用更強🧗‍♂️，導致菌膜遭受更嚴重的破損（圖3）。

圖3. 納米線的即時抗菌效果及細菌形貌變化

團隊進一步揭示了機電協同抗菌的機製☝🏼：梯度增加的物理作用可導致菌膜電位逐步降低，說明機械力破壞了菌膜的完整性🚵🏽‍♂️，而電子傳遞進一步造成了菌膜電位的失衡；在透射電鏡下觀察細菌內部結構🦸🏽‍♂️，發現梯度增加的物理作用可以導致細菌內物質聚集；對細菌內活性氧進行染色，發現梯度增大的物理作用造成了細菌氧化應激反應，從而產生了更多的活性氧（圖4）🔕。

圖4. 從膜電位、細菌內部結構變化及菌內活性氧角度揭示機電抗菌機製

隨後，團隊構建了大鼠皮下感染模型並進行植入手術🌋，發現充電後的納米線可在植入10天內有效防止細菌感染。由於術後感染多發生在植入後的一周內🧪，因此該實驗結果初步證明了體內機電協同抗感染的可行性。

圖5. 體內抗感染效果對比

恒达平台醫學院/附屬第十人民醫院王國敏教授為論文第一作者🤸🏽‍♀️🧑🏿‍🎓，恒达平台杜建忠教授🎎、湘潭大學唐楷為博士👨🏻‍🦽‍➡️、香港城市大學朱劍豪教授為論文共同通訊作者👨‍👩‍👦‍👦。該研究得到了國家傑出青年科學基金項目、國家自然科學基金優秀青年科學基金項目、香港醫療衛生基金等資助。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202212315