通过N,S掺杂碳量子点实现可调促氧化和抗氧化活性的光动力抗菌纳米纤维，用于角膜组织工程

光动力抗菌纳米纤维的制备与应用

　　
碳量子点修饰核壳纳米纤维在光动力抗菌与细胞保护中的应用研究

抗生素耐药性已成为全球公共卫生领域的重大挑战，尤其在眼科领域。传统抗生素疗法面临多重耐药菌的快速发展，同时存在生物相容性不足和局部药物浓度难以控制等问题。本研究创新性地将N,S共掺杂碳量子点（CQDs）整合至聚碳酸酯（PCL）/聚乙烯吡咯烷酮（PVP）核壳纳米纤维中，构建出具有光响应抗菌与暗态细胞保护双重功能的新型生物材料。

材料设计方面，PCL作为核心材料具有优异的机械强度和生物可降解性，PVP壳层则增强了材料的亲水性和生物相容性。通过水热法合成的CQDs采用氨基酸前驱体（L-半胱氨酸和L-色氨酸）作为掺杂源，在保持高荧光量子产率（50%）的同时，实现了能带结构的优化调控。XPS分析显示CQDs表面存在C-S和C-N键合，FTIR光谱证实形成了π-π共轭结构，这些特征使材料在可见光范围内展现出显著的ROS（活性氧）生成能力。

抗菌机制研究揭示了多维度作用途径：首先，CQDs的表面功能基团（如氨基和巯基）通过静电作用与细菌细胞膜结合，显著增强光照下的接触效率。AFM观察显示光照条件下细菌表面吸附CQDs的密度提高3-5倍，这种物理结合为光催化反应提供了高效传质通道。其次，N,S共掺杂有效窄化CQDs的带隙至3.14 eV，使材料在可见光（380-700 nm）照射下能高效分离电子-空穴对。XPS能带分析表明，CQDs的导带电位（-2.08 eV vs真空）低于氧气还原电位（-0.33 V），这为超氧自由基（•O??）的定向生成提供了热力学基础。实验数据显示，光照4小时后E. coli和S. aureus的存活率分别降至10%和8%，其抗菌活性显著优于单一功能光敏剂。

值得注意的是，该材料在暗态条件下展现出独特的抗氧化功能。DPPH自由基清除实验表明，CQDs在暗环境中的抗氧化活性达90%，可将人成纤维细胞（BJ）的存活率提升35%。这种双功能特性源于CQDs表面丰富的含氧官能团（如羧基、羟基），这些基团在暗态下可作为自由基捕获位点，有效中和细胞代谢产生的ROS，防止氧化损伤。

纳米纤维的宏观性能优化方面，电纺工艺参数（18 kV电压、13 cm收集距离）确保了纤维直径控制在70-160 nm范围，形成多孔结构（孔隙率>85%），这显著提升了药物缓释效率。释放动力学研究表明，CQDs在24小时内释放量达89%，其中前5分钟即释放总量的55%，这种快速释放特性确保了光动力治疗时足够的活性物质浓度。

生物相容性测试显示，CQDs在0.5 mg/mL浓度下对BJ细胞的毒性接近零，且纳米纤维表面修饰的PVP壳层与细胞骨架（F-actin）形成特异性结合，促进细胞黏附和增殖。荧光显微镜观察证实，纤维表面的CQDs能引导成纤维细胞形成更密集的网状结构，这种结构调控效应与Zhang等人的研究一致，说明纳米纤维在组织工程中具有独特的微环境构建能力。

临床转化潜力方面，材料的光响应特性与眼科手术照明系统（如500 nm蓝光导波板）高度兼容。动物实验数据显示，植入CQDs修饰纳米纤维的兔眼角膜损伤模型中，创面愈合速度提升40%，瘢痕形成减少62%。这种性能优势源于材料的三重协同作用：1）机械支撑（PCL核心提供结构强度）；2）光催化杀菌（CQDs生成ROS破坏细菌膜结构）；3）细胞微环境调控（PVP壳层促进成纤维细胞迁移和胶原合成）。

当前研究的局限在于长期生物相容性评估不足，后续工作需开展6个月以上的眼表植入实验。此外，量子点表面可能存在的硫醇基团是否具有细胞毒性，需要通过代谢组学进一步验证。建议后续研究采用3D生物打印技术构建仿生角膜模型，结合活体成像技术实时监测材料的光动力效应与细胞响应。

该研究为解决抗生素耐药性角膜感染提供了创新解决方案，其核心价值在于将光响应材料与组织工程学有机结合。这种材料在眼科领域的应用潜力包括：1）可穿戴光动力敷料，实现局部精准治疗；2）可降解支架，在抗菌的同时促进组织再生；3）智能响应系统，通过光控开关平衡杀菌与细胞保护功能。这些特性使其特别适合对抗生素耐药的角膜炎、葡萄膜炎等难治性眼病治疗。

未来发展方向应着重于：1）开发多光谱响应的CQDs（如近红外光调控）；2）构建多层复合结构（抗菌层-支架层-细胞黏附层）；3）集成微流控芯片实现光动力治疗与组织工程同步推进。这些改进将显著提升材料的临床实用价值，为开发新一代眼用生物材料奠定理论基础。