抗生素的滥用导致了对抗生素产生抗药性的“超级细菌”的出现，促使人们寻求替代的抗菌策略。细菌感染，特别是由多重耐药细菌引起的感染，对医疗保健系统构成了巨大挑战。具有广谱抗菌活性的金属离子，被认为是解决抗生素耐药性最有希望的替代品。其中，镓离子在基础研究和临床实验中显示出了优异的抗菌效果。然而，镓离子的利用面临着高度靶向性和长期有效性的挑战。
日前，北京航空航天大学和清华大学的联合团队，提出了一种新颖的核-卫星抗菌镓纳米结构，其中聚多巴胺修饰的镓纳米核可作为离子储存器以增强金属离子的释放，并且表面允许原位还原形成银纳米粒子以改善抗菌性能、ROS生成和光热性能，据此设计的微针贴片具有出色的抗菌性能和促进伤口愈合的功能。该研究以题为“Gallium Nanostructure-based Microneedle Patch for Multidrug-resistant Bacterial Wound Healing: Enhanced Metal Release and NIR Photothermal Effect”的论文发表在最新一期《Advanced Functional Materials》上。北京航空航天大学王波博士为本文的第一作者，北京航空航天大学孙旭阳副教授、周钢副教授和清华大学刘静教授为本文的共同通讯作者。
图1.核-卫星纳米粒子、微针贴片的制备及治疗细菌感染伤口示意图本研究提出了一种新型的核-卫星Ga纳米结构的微针贴片，可提供抗菌金属离子库和优异的光热性能，以促进MRSA感染伤口的愈合。通过简单的两步合成方法制备纳米粒子。首先，制备聚多巴胺（PDA）修饰的Ga纳米粒子（NPs）。在这一过程中，PDA修饰使得Ga氧化并集中分布在纳米粒子的外表面，形成了Ga离子库，增强了金属离子的释放。此外，由于PDA具有出色的化学反应和金属配位性能，修饰后的表面可以进行二次反应，进而原位形成银纳米粒子（Ag NPs），从而增强杀菌活性。经过修饰制备得到的核-卫星LM@PDA@Ag纳米粒子表现出较高的稳定性、促进金属离子释放、优异的光热性能和高水平的活性氧（ROS）产生，进一步提升了材料的抗菌活性。值得注意的是，通过近红外激光照射的协同处理，LM@PDA@Ag核-卫星纳米粒子的抗菌效果几乎达到了100%。为了确保抗菌剂的精确递送、深度渗透以及均匀分布到伤口部位，将LM@PDA@Ag NPs添加到基于聚乙烯醇（PVA）的微针中，用于MRSA感染伤口的修复。LM@PDA@Ag@MNs的体内精准递送结合近红外治疗，可以加速伤口愈合，消除细菌，减轻炎症，促进血管生成和胶原蛋白沉积，有助于加速伤口的愈合。使用超声破碎的方法制备功能化液态金属纳米粒子。作者对纳米粒子结构进行了分析和表征。在微观结构上，HRTEM结果显示LM@PDA@Ag纳米粒子具有明显的核-卫星结构，EDS能谱显示了其元素分布，Ag主要分布在Ga核心周围。动态光散射（DLS）和电位分析表明，不同修饰的纳米粒子的粒径和电位分别有所不同。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和拉曼光谱分析表明，LM@PDA@Ag纳米粒子具有明显的特征峰，证明了PDA和Ag的成功修饰。X射线衍射（XRD）分析显示了LM@PDA和LM@PDA@Ag纳米粒子在结构上的显著差异。紫外-可见光谱（UV-vis）分析表明，这些纳米粒子在光学性能上的差异。此外，作者对纳米粒子的光热性能进行评估。红外热成像及热电偶实验数据表明设计制备的核-卫星纳米粒子具有优异的光热转换性能和良好的光热稳定性能。作者使用平板计数法对纳米粒子的抗菌性能进行评估。修饰后纳米粒子对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌两种典型细菌均具有显著的抗菌效果，在施加近红外激光辐照后，抗菌效果得到进一步大幅度提升，并通过扫描电镜观察到其细菌膜遭到了严重破坏。为了增强纳米粒子对伤口的机械穿透和控制释放能力，作者选择了具有最佳抗菌效果的LM@PDA@Ag核-卫星纳米粒子，并将其封装到PVA微针中。从光学图像和SEM图像中可以看出，贴片阵列具有均匀分布的圆锥形针状尖端。尽管在贴片针尖中装载了LM@PDA@Ag核-卫星纳米粒子，但贴片仍然呈现出透明特征。EDS元素图谱分析证实了C、O、N、Ga、In和Ag的存在，元素均匀分布在针尖上，表明LM@PDA@Ag核-卫星纳米粒子成功融入微针贴片。机械性能是确保微针能够穿透皮肤组织并实现药物或纳米粒子精确递送至深层组织的重要指标。对微针贴片进行了压缩测试，并记录了力-位移的变化。纳米粒子的掺入可以增强微针贴片的整体机械性能，所制备的微针贴片都能满足将纳米粒子成功递送至皮下组织的最低要求。在体内实验中，作者通过对感染MRSA的小鼠伤口进行不同处理，评估装载不同纳米粒子微针的伤口愈合情况。结果表明，负载纳米粒子的微针显著减少了伤口中的细菌数量，尤其是LM@PDA@Ag@MNs实验组在激光照射下表现出几乎100%的抗菌效果，同时减轻伤口区域的炎症、刺激创面胶原蛋白沉积、促进血管形成和组织再生。此外，生化分析显示，治疗后小鼠的肝肾功能指标均在正常范围内，组织学染色结果未发现显著的病理异常，表明所应用的微针系统具有良好的生物安全性。总结：这项研究提出了一种新型Ga基纳米结构，通过PDA介导的表面涂层和Ag纳米粒子的原位形成，实现高效抗菌和治疗多重耐药菌感染。该结构增强了金属离子释放和ROS生成。体外实验显示，LM@PDA@Ag纳米粒子与近红外辐射联合治疗可实现近100%的MRSA杀灭效率。此外，体内实验证实，装载纳米粒子的微针贴片能够消除细菌、减轻伤口区域的炎症，同时刺激创面胶原蛋白沉积、促进血管形成和组织再生。该研究为抗菌、治疗多重耐药菌感染和促进组织再生提供了新策略。
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https://doi.org/10.1002/adfm.202407934
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