石墨二炔（GDY）赋能TiO2/g-C3N4生物异质结用于可见光抗菌光催化与感染伤口愈合

《Materials Today Bio》：A Graphdiyne-Enabled TiO 2/g-C 3N 4 Bio-Heterojunction for Visible-Light Antibacterial Photocatalysis and Infected Wound Healing

　　

可见光驱动的抗菌光催化在感染伤口管理中具有较大潜力；然而，高效且生物相容的异质界面仍然有限。在此，研究人员通过将石墨二炔（graphdiyne, GDY）生长于TiO₂/g-C₃N₄支架上，构建了石墨二炔赋能的TiO₂/g-C₃N₄基生物异质结（bio-heterojunction, TCN/GDY），其将增强的可见光捕获与抗菌伤口治疗相结合。结构表征、光电化学测量、价带分析、原位X射线光电子能谱（XPS）、电子顺磁共振（EPR）和密度泛函理论（DFT）支持界面电子耦合、增强的光响应以及活性氧（ROS）生成。这些观察结果与所提出的双S型类机制一致。在420 nm LED照射下，TCN/GDY对Escherichia coli的消除率>99%，对Staphylococcus aureus的消除率为99.40 ± 0.34%，对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（methicillin-resistant Staphylococcus aureus, MRSA）的消除率为98.65 ± 0.74%，并在测试处理和洗涤条件下使保留的结晶紫染色MRSA生物膜生物量减少78.57 ± 2.38%。多组学分析识别出与治疗相关的中枢代谢和营养转运变化。在MRSA感染小鼠伤口模型中，可见光激活的TCN/GDY使细菌负荷降低97.98 ± 1.04%，并在第11天使残余伤口面积降至2.93 ± 1.46%。该研究确立了石墨二炔赋能的TiO₂/g-C₃N₄基生物异质结作为用于感染伤口愈合的可见光抗菌光催化平台。

皮肤是机体主要保护屏障。感染伤口因持续细菌定植和生物膜形成而延长炎症、延迟再上皮化并降低常规治疗有效性；抗菌耐药尤其是MRSA上升进一步削弱以抗生素为中心的治疗，需要非抗生素抗感染策略。光催化抗菌系统可在感染部位按需生成ROS，提供局部杀菌压力而无全身药物暴露；但ROS对伤口愈合具有双重作用，增殖期适度ROS促进中性粒细胞和巨噬细胞招募、组织清创及胶原和细胞外基质（ECM）合成，过量ROS则诱导氧化应激并损害愈合，因此需平衡抗菌氧化应激与宿主组织耐受。可见光响应光催化剂还面临足够可见光捕获、载流子分离和ROS生成处于生物可接受治疗窗口内的材料挑战；激发波长本身不排除加热，热效应取决于照射条件和材料响应。TiO₂具有良好理化稳定性、光催化活性和n型半导体特征，但宽带隙和快速电子-空穴复合限制其可见光应用；与g-C₃N₄耦合可拓宽光吸收和改善能带排列，GDY则提供高导电和高效电子离域的共轭sp/sp²碳框架，Ti基材料和含GDY体系已在生物医学环境显示前景。研究人员构建TCN/GDY，并将“生物异质结（bio-heterojunction）”作为面向生物界面光催化治疗的应用导向描述符：原文明确“bio”指其用于暴露感染伤口表面，并评价其与细菌、哺乳动物细胞、血液和伤口组织的相互作用，不指含活生物组分的界面，也不定义独立半导体结类别。该研究通过结构、光电化学、价带、原位XPS、EPR、DFT、抗菌与抗生物膜、多组学及MRSA感染伤口模型评估材料，结论支持TCN/GDY作为可见光抗菌光催化平台，为感染伤口愈合提供非抗生素光催化策略；论文发表于《Materials Today Bio》。
关键技术方法概括（不超过250字）：研究人员采用热聚合、水热、乙醇辅助混合退火及CuCl介导无脱保护生长制备CN、TiO₂、TCN和TCN/GDY；以X射线衍射（XRD）、Raman、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、氮气吸附-脱附（BET）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描/透射电子显微镜（SEM/TEM/HRTEM）及能谱（EDS）表征结构与界面；以瞬态光电流、电化学阻抗谱（EIS）、光致发光（PL）、紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）、Mott-Schottky和价带XPS分析光电与能带；以电子顺磁共振（EPR）和密度泛函理论（DFT）分析自由基与界面；开展体外抗菌/抗生物膜、转录组测序（RNA-seq）和液相色谱-质谱联用（LC-MS）多组学、L929/HUVEC细胞与溶血实验；体内采用6周龄雌性BALB/c小鼠MRSA感染8 mm背部皮肤缺损模型（伦理号LAC2024-1-0403），转录组每组n=4、代谢组每组n=6。
研究结果：2.1 构建与形貌：通过热聚合制备CN、声辅助水热制备TiO₂、乙醇辅助混合退火形成TCN，再以CuCl介导无脱保护生长将GDY引入TCN；SEM/TEM/HRTEM/EDS显示TCN/GDY保留海胆样形貌、GDY层状结构、约0.35 nm晶格间距对应锐钛矿TiO₂(101)面，C/N/O/Ti共存；GDY低含量原位形成使绝对负载量未能可靠定量。2.2 结构与界面化学：XRD显示TiO₂保持锐钛矿；Raman显示GDY的D/G带和—C≡C—振动与TiO₂模式共存；FTIR、BET显示介孔和比表面积增至121.68 m²·g^?1；XPS显示C≡C峰及N/O/Ti结合能变化，支持界面电子相互作用。2.3 可见光光电化学与能带：TCN/GDY瞬态光电流约1.89 μA·cm^?2、最小EIS半圆、最低PL；UV-Vis红移、带隙2.92 eV；价带XPS和Mott-Schottky给出能带排列，支持可见光下氧还原和ROS相关氧化。2.4 DFT：对选定有序TiO₂/CN/GDY局部界面进行基态DFT，电荷密度差显示CN电子耗尽、TiO₂和GDY电子获得；PDOS/LDOS支持界面电子耦合；功函数和接触极化依赖模型，不意味着单一串联电子转移序列。2.5 原位电荷转移与ROS：同一样品暗/光照XPS显示结合能位移和峰分离变化；EPR显示TCN/GDY的DMPO-超氧和DMPO-羟基加合物信号更强；甲醛降解表观准一级速率0.119 min^?1，T为0.025 min^?1，相差4.76倍；提出双S型类机制（dual S-scheme like mechanism），保留GDY还原电子和TiO₂氧化空穴，为O₂还原为•O₂^?和OH^?氧化为•OH提供可能路径。2.6 体外抗菌与抗生物膜：420 nm LED和氙灯30 min；暗处几乎无活性；LED下对E. coli >99%、S. aureus 99.40±0.34%、MRSA 98.65±0.74%；氙灯下对S. aureus 99.75±0.03%、MRSA 99.01±0.89%；TCN/GDY抗MRSA生物膜清除78.57±2.38%，蛋白泄漏增加，FESEM显示严重细胞崩解；残余Cu浓度低且抗菌呈光依赖。2.7 多组学：RNA-seq发现465个差异表达基因（DEG，161上调、304下调），KEGG富集显示三羧酸（TCA）循环、过氧化物酶体、双组分系统（TCS）和磷酸转移酶系统（PTS）等受抑；代谢组282个差异积累代谢物（DAM，214上调、68下调），TCA循环、丙酮酸代谢、嘌呤代谢和ABC转运体改变；说明能量代谢、应激适应、信号转导和营养摄取受扰。2.8 体内：BALB/c小鼠MRSA感染8 mm背部皮肤缺损；第11天TCN/GDY(+)细菌负荷降低97.98±1.04%，残余伤口面积2.93±1.46%，组织学显示上皮致密有序、无结痂，胶原沉积增加，炎症细胞浸润较低；无显著温升，光热不贡献。2.9 生物安全：L929、HUVEC的CCK-8和活/死染色、划痕、溶血、血液学及心肝脾肺肾H&E支持短期生物安全；中性粒细胞比例下降与感染炎症缓解一致。
原文未单列讨论部分；作者在结果与结论中对机制解释和限制的说明可概括为：双S型类机制与互补观察一致而非确证；DFT选用有序局部界面，依赖堆叠和接触几何，不代表全部异质形貌或无序GDY区域；GDY负载量无法可靠定量；C 1s位移不能专属GDY；菌落计数评估指定处理后可培养性丢失，未评估时间分辨生长、抑制浓度和再生长；体内未分离ROS直接宿主效应与感染控制获益，未建立ROS剂量响应，未来需测伤口组织氧化应激标志物。研究结论翻译：在本研究中，研究人员通过在TiO₂/g-C₃N₄支架上生长GDY，构建了石墨二炔赋能的TiO₂/g-C₃N₄基生物异质结。计算支持接触极化和界面电子耦合，光电化学和EPR测量显示增强的光响应和自由基生成。双S型类机制与这些互补观察一致。L929和HUVEC实验、溶血测量及短期体内观察支持在测试条件下的相容性。体外抗菌实验表明，可见光响应TCN/GDY对S. aureus、E. coli和MRSA表现出优异抗菌性能。多组学分析识别出与治疗相关的中枢代谢、环境感知和营养转运变化。在浅表MRSA感染开放伤口模型中，TCN/GDY治疗与较低细菌负荷和改善的伤口闭合相关。这些发现将石墨二炔赋能的TiO₂/g-C₃N₄基生物异质结定位为用于感染伤口愈合的可见光抗菌光催化平台。