等离子体功能化纳米多孔SiOx薄膜实现活性氧(ROS)扩散精准调控及其抗菌抗病毒应用

这篇开创性研究展示了通过等离子体聚合技术制备的纳米多孔SiOx功能薄膜（np-SiOx），可精准调控AgOx/TiOx催化薄膜产生的活性氧物种(ROS)的扩散行为。研究发现1-100 nm厚度的功能层能选择性控制超氧阴离子(O2•–)和单线态氧(1O2)等不同寿命ROS的释放，7 nm超薄功能层可实现O2•–向1O2的特异性转化。该技术为抗微生物耐药(AMR)和伤口愈合等生物医学应用提供了新型ROS控释平台。

　　

等离子体功能化实现ROS扩散精准调控

这项研究开创性地利用低温等离子体技术构建了具有纳米多孔结构的SiOx功能薄膜（np-SiOx），成功实现了对催化薄膜产生的活性氧物种(ROS)的精准调控。通过多步等离子体工艺在室温下制备的AgOx/TiOx催化系统，展现出独特的暗态ROS生成能力，这得益于银氧化物纳米岛与富含氧空位的非化学计量TiO_x基底之间的电荷分离效应。

材料制备与表征

研究团队采用旋转滚筒式等离子体反应器，先后溅射50 nm TiOx和5 nm Ag层，再通过Ar/O₂等离子体后氧化获得总厚度55±5 nm的AgOx/TiOx催化薄膜。扫描电镜(SEM)显示银氧化物纳米岛(10-100 nm)均匀分布在TiOx基底上，原子力显微镜(AFM)测得表面粗糙度为3.4 nm。随后的等离子体聚合步骤使用六甲基二硅氧烷(HMDSO)和氧气，制备出具有13±2%孔隙率的np-SiOx功能层，厚度可在7-100 nm范围内精确调控。

值得注意的是，紫外-可见光谱分析揭示非化学计量TiOx薄膜在300-900 nm全波段都有吸收，这归因于等离子体加工引入的氧空位(O_V)。添加np-SiOx功能层后，材料展现出抗反射特性，7 nm功能层使吸收率提高约10%，这为后续ROS的高效生成奠定了基础。

ROS生成与控释机制

通过多种特异性荧光探针和电子顺磁共振(EPR)技术，研究团队系统阐明了ROS的生成与控释机制。二氢乙锭(DHE)降解实验证实，AgOx/TiOx系统在暗态下可产生O₂^•–，生成速率达0.11 nmol cm^?2 s^?1。无氧条件实验和谷胱甘肽(GSH)清除实验进一步验证了O₂^•–的生成依赖于分子氧的还原。

最引人注目的是，7 nm np-SiOx功能层的引入使系统获得了产生¹O₂的新能力。研究人员认为这是由于纳米多孔结构延长了O_{2•–在催化界面的停留时间，促进了其向¹O2的转化。EPR检测显示所有功能化样品都能产生•OH自由基，但DMPO探针分子的小尺寸使其能够穿透纳米孔道到达催化表面。}

通过调控np-SiOx厚度，研究人员建立了精确的ROS"分子筛"系统：7 nm功能层可实现¹O₂的特异性释放；7-30 nm厚度可控制O₂^•–的释放量；超过60 nm则基本阻断了ROS的释放。这种精准调控源于不同寿命ROS在纳米孔道中的扩散重组行为差异。

生物相容性与抗菌抗病毒性能

细胞实验证实，AgOx/TiOx及其功能化材料均无细胞毒性，符合ISO10993-5标准。皮肤刺激和致敏试验(KeratinoSens^TM)显示材料在人工汗液中浸泡24小时后，仍保持优异的生物相容性。

抗菌测试显示，7 nm np-SiOx/AgOx/TiOx对大肠杆菌(E. coli)的抑制效果最佳，60分钟接触可实现4 log的菌落减少。值得注意的是，对金黄色葡萄球菌(S. aureus)的抑制效果较弱，研究人员认为这与革兰氏阳性菌较厚的肽聚糖层及其更强的抗氧化防御系统有关。

在抗病毒方面，虽然膜完整性实验(InVIS)未检测到病毒包膜破坏，但鼠肝炎病毒(MHV)滴度实验显示7 nm功能化样品可实现3 log的病毒减少，表明ROS主要通过氧化病毒衣壳蛋白而非破坏膜结构来发挥抗病毒作用。

应用前景与展望

这项研究为精准调控ROS递送提供了创新解决方案，其优势主要体现在三个方面：室温等离子体工艺适合热敏性基底；纳米多孔功能层实现ROS的精准控释；材料系统在暗态下持续有效。这些特性使其在伤口敷料、抗菌涂层和医疗器械等领域具有广阔应用前景。

特别值得关注的是，该技术通过简单的厚度调控即可实现从杀菌到生物相容性的平衡，7 nm功能层既能产生强氧化性的¹O₂，又能避免细胞损伤，为抗微生物感染提供了新思路。未来研究可进一步探索不同孔隙率的功能层对ROS扩散动力学的影响，以及该系统在肿瘤治疗等领域的应用潜力。