综述：基于黑色和紫色磷的生物材料的抗菌应用

《Advanced NanoBiomed Research》：Antibacterial Applications of Black and Violet Phosphorus-Based Biomaterials

磷纳米材料（如黑磷和白磷）因其独特的二维结构、可调带隙、高比表面积及优异生物相容性和降解性，成为新型抗菌平台。其通过物理破坏细菌膜、光热/光动力效应及高效药物递送系统实现多机制协同抗菌，并已成功应用于骨感染、皮肤感染、肺部感染、牙科感染和败血症治疗。复合策略（如聚合物修饰、金属掺杂）显著提升材料稳定性和抗菌性能。未来需优化规模化制备、长期生物安全性及临床转化路径。

　　近年来，抗生素耐药性的迅速发展使得开发创新的抗菌策略成为全球公共卫生领域的紧迫任务。传统的抗生素在面对日益复杂的耐药细菌时，其治疗效果逐渐减弱，且可能引发细菌耐药性的进一步演化。这一问题促使科学家们探索新型抗菌材料，其中，黑磷（BP）和紫磷（VP）纳米片因其独特的二维结构、大比表面积、可调节的带隙以及卓越的生物相容性和生物降解性而备受关注。这些磷基纳米材料不仅具备高效的抗菌性能，还展现出在生物体内可控降解和释放生物活性物质的能力，为未来的抗菌治疗提供了广阔前景。

黑磷和紫磷纳米片的抗菌机制复杂多样，涵盖了物理破坏、光热和光动力效应、药物递送以及与其他材料的复合策略。物理破坏效应主要依赖于纳米材料的表面结构和边缘特性。例如，黑磷纳米片（BPNs）由于其独特的晶格结构和折叠表面，能够与细菌表面产生广泛的接触，从而实现高效的机械破坏。实验结果表明，BPNs在激光照射下能够显著减少细菌数量，而将BPNs与细菌隔离后，抗菌效果几乎消失，进一步验证了物理接触在抗菌过程中的关键作用。同样，紫磷纳米片（VPNSs）因其不规则的边缘形态和高杨氏模量，也展现出类似的机械破坏能力。其边缘的亚纳米针状结构可以与细菌细胞壁中的多糖和细胞膜磷脂发生作用，进而穿透细菌膜并诱导其死亡。

在光热和光动力机制方面，BP和VP纳米片的光响应特性为其抗菌应用提供了重要的基础。光热疗法（PTT）依赖于纳米材料对光能的高效吸收并将其转化为热能，从而破坏细菌膜结构，引发细胞内容物泄漏和最终死亡。BP纳米片因其在近红外（NIR）波段的强吸收能力、高光热转化效率以及可调节的带隙，成为PTT的理想候选材料。然而，其在实际应用中仍面临稳定性不足的问题，容易在生理环境下发生氧化和降解。相比之下，VP纳米片具有更高的热分解温度，表现出更强的环境稳定性，使其在光热治疗中的应用更具潜力。此外，VP纳米片在可见光和NIR光的照射下能够持续产生活性氧（ROS），进一步增强其光动力抗菌效果。这一特性使其在光动力疗法（PDT）中表现出色，特别是在细菌感染的复杂微环境中，VP纳米片的光响应性能使其成为更优的抗菌材料。

除了物理和光驱动的抗菌机制，BP和VP纳米片还展现出作为高效药物递送载体的潜力。其超薄的二维结构和巨大的比表面积使其成为理想的药物负载平台。通过将抗菌药物如万古霉素与BP纳米片结合，可以实现药物的可控释放，从而提高抗菌效果并减少药物滥用导致的耐药性发展。此外，纳米片的生物降解特性使其能够释放磷酸盐离子，这些离子不仅具有生物相容性，还可能通过干扰病原菌的能量代谢来实现选择性杀伤。这种双重作用机制为抗菌治疗提供了新的思路，特别是在慢性感染和组织修复的场景中，BP和VP纳米片可以作为药物递送载体，实现更精准的治疗效果。

为了进一步提高抗菌性能，研究者们还探索了多种复合策略，包括聚合物修饰和金属掺杂。聚合物修饰不仅能够改善纳米材料的稳定性，还能通过改变表面电荷特性，增强其与细菌的相互作用。例如，通过将BP纳米片与水凝胶结合，可以形成具有良好生物相容性的抗菌平台，同时提高其在体内的稳定性和靶向性。此外，金属掺杂，如金（Au）和银（Ag）纳米颗粒的引入，可以显著提升光热和光动力抗菌效果。Au纳米颗粒能够通过局部表面等离子共振效应产生热量，而Ag纳米颗粒则通过破坏细菌膜和生成ROS来实现抗菌。这些复合策略不仅增强了纳米材料的抗菌性能，还提高了其在复杂生物环境中的适用性。

在实际医疗应用中，BP和VP纳米片已被广泛用于多种细菌感染的治疗。例如，在感染性骨缺损的修复中，BP纳米片与羟基磷灰石（HA）和钛（Ti）结合，形成具有光热抗菌和促进骨再生功能的复合材料。这些材料在体外实验中表现出对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌等常见致病菌的高效杀灭能力，并且在体内实验中验证了其在促进骨组织修复方面的潜力。此外，BP纳米片也被用于治疗皮肤和软组织感染，通过与聚合物如聚氨酯和纳米银结合，形成具有光热效应和接触杀伤能力的复合材料。这些材料在治疗糖尿病溃疡等慢性感染时，展现出显著的抗菌和促修复效果。

在肺部感染的治疗方面，BP纳米片因其高效的光热转化能力，被用于开发能够穿透肺部黏液层并实现靶向药物释放的纳米平台。通过将BP纳米片与聚乙二醇（PEG）和壳聚糖（CS）结合，研究人员成功构建了一种能够在肺部释放抗生素的纳米药物递送系统，显著提高了对铜绿假单胞菌等致病菌的抗菌效果。同样，VP纳米片也被用于肺部感染的治疗，其独特的光响应特性使其能够有效生成ROS，并通过光热效应实现对细菌的破坏。

在牙科感染的治疗中，BP纳米片因其良好的生物相容性和光热特性，被用于构建具有抗菌和促进牙釉质再矿化的复合材料。例如，将BP纳米片与CP5（一种具有粘附能力的材料）结合，形成BP@CP5水凝胶，能够长时间附着于牙齿表面，并在光照下有效杀灭变形链球菌和血链球菌等致病菌。此外，VP纳米片与Ti₃C₂（一种二维材料）结合，形成具有光热和光动力效应的异质结构，能够显著减少牙周炎等慢性感染的炎症反应，并促进牙周组织的再生。

在眼科感染的治疗中，BP纳米片因其高效的光热转化能力，被用于开发具有抗菌和抗炎作用的水凝胶材料。例如，FHTAB水凝胶在植入后能够形成稳定的折射介质，并在光照下实现药物的持续释放，从而有效预防术后眼部感染。此外，VP纳米片也被用于治疗角膜炎等感染，其边缘的亚纳米针状结构能够穿透细菌膜，同时通过光热效应和ROS生成实现抗菌。

在败血症的治疗中，BP纳米片因其对循环细胞外陷阱（NETs）和细胞自由DNA（cfDNA）的高效清除能力，展现出良好的抗炎和抗凝血效果。通过将BP纳米片与聚多巴胺（PDA）和抗菌肽（AMPs）结合，研究人员开发了一种能够同时清除cfDNA和NETs的纳米材料，从而减轻败血症引发的全身炎症和凝血障碍。这种策略不仅提高了抗菌效果，还降低了对正常止血机制的干扰，为败血症的治疗提供了新的方向。

尽管BP和VP纳米片在抗菌治疗中展现出诸多优势，但其在实际应用中仍面临一系列挑战。首先是材料的环境稳定性问题。BP和VP纳米片在接触水、氧气或光照后容易发生氧化和降解，导致其结构和功能的快速丧失。此外，大规模、可重复的制备技术仍需进一步优化，以满足临床需求。其次是生物安全性问题。目前的研究多集中在短期毒性和生物相容性评估，而对于长期代谢、组织积累和潜在毒性等关键问题仍缺乏系统性的研究。最后，临床转化过程中需要解决的质量控制、制备工艺优化以及剂量和递送方案的标准化等问题，对材料的进一步发展提出了更高的要求。

综上所述，黑磷和紫磷纳米片作为新型抗菌材料，凭借其独特的物理化学性质和多样的抗菌机制，展现出巨大的应用潜力。然而，要实现其在临床中的广泛应用，还需要在材料稳定性、生物安全性、规模化生产以及标准化应用等方面进行深入研究。通过跨学科的合作和技术创新，磷基纳米材料有望成为未来抗菌治疗的重要平台，为解决抗生素耐药问题和提高感染治疗效果提供新的解决方案。