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本文综述了光催化产气用于治疗细菌感染的研究进展。气体疗法（如 H2、NO、CO、O2）可抗耐药菌、破生物膜，但存在释放难控等问题。光催化技术与之结合，能精准控气，提升抗菌效果，同时也面临机制、监测、安全等挑战。
### 引言
抗生素耐药菌的出现严重威胁全球公共健康，导致难治性感染不断增多。多药耐药病原体的扩散增加了感染相关的发病率和死亡率，细菌生物膜的形成更是加剧了这一困境。生物膜中的细菌通过分泌胞外聚合物构建保护屏障，抵御宿主免疫和传统抗菌药物，使得感染治疗愈发困难。
目前，抗生素仍是治疗细菌感染的主要手段，但对于耐药或生物膜相关感染，常需高剂量抗生素和手术清创，这不仅延长治疗时间、增加成本，还会带来更多副作用和不可预测的后果。
近年来，气体疗法作为一种创新的抗菌策略受到广泛关注，氢气（H2）、一氧化氮（NO）、一氧化碳（CO）和硫化氢等气体分子能穿透细菌生物膜并发挥抗菌作用。而且，部分气体还具有抗炎、免疫调节和促进血管再生等功能，有助于伤口愈合。不过，气体疗法的临床应用面临气体释放难以控制和潜在副作用等问题。
光催化技术在环境净化和太阳能转换等领域应用广泛，其抗菌策略具有成本效益高、抗菌谱广、不易诱导耐药等优点。将光催化与气体疗法相结合，通过光调控的光催化过程精确控制气体生成，展现出协同增强的抗菌效果，为细菌感染治疗开辟了新途径。
光催化产氢
氢气在生物系统中是一种强还原剂，具有抗凋亡、抗炎和抗氧化特性。研究发现，氢气还能作为有效的抗菌剂，诱导细菌细胞膜破裂、破坏细胞内氧化应激平衡、损伤 DNA 并损害细菌能量代谢，最终导致细菌死亡。此外，氢气可促进表皮干细胞增殖、细胞外基质沉积，并诱导巨噬细胞向 M2 表型极化，加速伤口愈合。
为实现氢气的可控释放，已有研究报道了一些具有抗菌活性和产氢能力的光催化剂，如 Ag/Ni–BaWO4和 W18O49/g-C3N4。不过，光催化控制氢气释放用于抗菌治疗的研究仍处于起步阶段。鉴于氢气能破坏细菌氧化还原平衡，将其与光催化抗菌策略相结合，有望显著提高整体抗菌效果。利用氢气的抗炎特性，光催化控制氢气疗法在治疗伴有过度炎症反应的感染伤口方面具有巨大潜力。
光催化产生一氧化氮
一氧化氮是研究最广泛的内源性气体，在抵御外源病原体方面发挥关键作用。高浓度的一氧化氮可诱导生物分子的氧化损伤，使细菌失活。当一氧化氮气体疗法与光催化抗菌策略结合时，一氧化氮与活性氧（ROS）反应生成活性氮物种，抗菌活性更高，能显著增强对细菌感染的治疗效果。此外，一氧化氮在心血管健康、免疫调节、伤口愈合和细菌生物膜分散等方面也有重要作用。
目前，一些光催化剂已被证明能在温和条件下催化产生一氧化氮。例如，Kandoth 等人开发了一种新型三元异质结光催化材料（CBB/TiO2/RuPS），在自然光照射下可产生一氧化氮、羟基自由基、超氧阴离子和单线态氧。生成的一氧化氮和活性氧相互作用形成活性氮物种，显著增强抗菌活性。体外抗菌试验表明，CBB/TiO2/RuPS 能有效根除空肠弯曲菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌及其生物膜。
后续，该团队又合成了 NTFA@PeV@BA-PTZ 纳米晶体（NCs），这是一种新型的能释放一氧化氮的光催化材料。在阳光照射下，NTFA@PeV@BA-PTZ NCs 可通过光催化过程产生羟基自由基，还能精确控制一氧化氮释放。该材料能有效消除生物膜中 90% 以上的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和大肠杆菌。在小鼠伤口感染模型中，NTFA@PeV@BA-PTZ NCs 经可见光激活后加速了伤口愈合，展现出体内治疗应用的潜力。这些研究突出了一氧化氮气体疗法与光催化材料结合在抗菌领域的应用前景。
光催化产生一氧化碳
一氧化碳作为一种气体信号分子，因其抗菌和抗炎特性在疾病治疗中展现出巨大的治疗潜力。高浓度的一氧化碳可与细菌中的末端氧化酶结合，与氧气竞争，抑制细胞呼吸，从而有效杀死细菌。在 10 - 500 ppm 范围内，一氧化碳具有明显的抗炎活性，巨噬细胞模型的体外评估证明了这一点。此外，巨噬细胞产生的一氧化碳可通过激活 NACHT - LRR - PYD 结构域蛋白 3（NALP3）炎性小体，增强巨噬细胞清除病原菌的能力。
与活性氧相比，一氧化碳的半衰期较长（约 3 - 7 小时），能有效穿透细菌生物膜，有助于破坏深层细菌生物膜，增强其对基于活性氧的治疗策略的敏感性。因此，实现一氧化碳的可控释放对于发挥其不同治疗效果至关重要。
近期，光催化二氧化碳（CO2）还原技术的进展使得体内精确控制一氧化碳生成成为可能。例如，Zhuang 团队开发了一种基于 Nb2C MXene 的光催化纳米平台（NNBC）用于治疗细菌感染性骨髓炎。为提高 Nb2C 的光催化产一氧化碳效率，先在其表面负载镍（Ni）纳米颗粒，再通过静电相互作用引入多巴胺功能化的氨基聚乙二醇，最后将二氧化碳供体通过多巴胺上的 3,4 - 二羟基、铁离子和碳酸氢根之间的配位作用掺入 Ni/Nb2C 纳米片。在 1064 nm 激光照射下，Nb2C 的光热效应引发碳酸盐降解，释放二氧化碳，被 Ni/Nb2C 捕获并还原为一氧化碳。体外实验表明，NNBC 结合光热和一氧化碳介导的抗菌作用，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的清除率均超过 97%，还能显著减轻巨噬细胞的炎症反应。在小鼠骨髓炎模型中，NNBC 显著降低了感染部位的病原菌负荷，有效减轻了过度炎症反应，促进了受损组织的再生。
除了无机复合材料，Wu 等人开发了一种单组分有机共轭微孔聚合物，在光照下可直接将空气中的二氧化碳还原为一氧化碳，同时产生过氧化氢（H2O2），一氧化碳和过氧化氢的产量分别达到 361.2 和 552.7 μmol h-1 g-1，显示出该聚合物在光催化介导的一氧化碳气体疗法中的应用潜力。
光催化产生氧气
糖尿病伤口常处于缺氧环境，这主要是因为糖尿病患者的高血糖环境会损害血管生成，影响伤口部位的血液供应和血液循环，导致伤口无法获得足够的氧气和营养物质，从而延缓伤口愈合。
氧气是伤口愈合（如血管再生和组织重塑）和抵抗感染所必需的营养物质。在伤口感染时，免疫细胞需要氧气通过呼吸爆发途径产生大量活性氧，以发挥强大的抗感染能力。因此，开发具有血糖调节、产氧和抗菌性能的先进伤口敷料对治疗糖尿病伤口感染至关重要。
Sun 等人利用乙二醇二缩水甘油醚作为交联剂，制备了一种多功能聚谷氨酸基水凝胶，其中包含葡萄糖氧化酶、氧化钨和聚多巴胺。在糖尿病感染伤口中，葡萄糖氧化酶催化伤口中的葡萄糖转化为葡萄糖酸和过氧化氢。在 808 nm 激光照射下，氧化钨的光催化活性被激活，将过氧化氢分解为氧气，改善伤口缺氧状况。这一串联催化反应实现了伤口部位的血糖调节和氧气合成。同时，808 nm 激光照射下，水凝胶中的聚多巴胺产生局部热疗，有效杀死病原菌；激光关闭后，聚多巴胺的抗氧化特性可清除伤口部位多余的活性氧，减轻过度炎症反应，促进糖尿病伤口愈合。这种多方面的作用机制在糖尿病伤口管理中既能调节血糖水平，又能解决缺氧和感染问题。
面临的挑战
尽管光催化控制气体疗法在对抗感染方面显示出卓越的治疗效果，但仍面临一些挑战。首先，虽然光催化和气体疗法都展现出广泛的抗菌潜力，但它们的具体作用机制还需要更深入的研究，以充分发挥其在抗感染应用中的能力。目前对光催化抗菌效果的研究较多，但对正常组织的潜在影响尚未充分探索。此外，气体分子作为生理信号分子，参与多种生物过程的调节，这使得气体疗法的临床转化变得复杂。
其次，气体疗法的抗菌效果与气体产生性能密切相关。目前的研究主要依赖体外实验来量化气体生成，而体内气体释放的有效监测方法仍然缺乏。而且，体外和体内抗菌活性所需的最小剂量也缺乏标准化，这使得在平衡强大抗菌效果和减少对正常组织的不良影响方面面临困难。
第三，对光催化材料的生物安全性进行系统评估对于其未来的临床应用至关重要。除了催化性能外，这些材料的生理效应，包括细胞毒性、神经毒性和生殖毒性等，都需要进行全面评估。
第四，治疗性气体的产生是否会干扰光催化过程也是一个值得关注的问题。
最后，与超声、磁场、微波和 X 射线等其他外源刺激相比，光的组织穿透深度相对有限，这给深部组织感染的治疗带来了挑战。不过，近红外光比可见光具有更好的组织穿透性，为光催化介导的气体疗法带来了新的可能性。尽管存在这些挑战，近红外 II 光触发的光催化控制气体疗法在对抗细菌感染方面仍显示出强大的临床潜力。
