近日，天津大学材料科学与工程学院朱胜利教授团队在国际顶级期刊Advanced Materials上发表题为“Microwave-Actuated Hot-Carrier/Polarization Triggers Catalysis to Coordinate Staphylococcus aureus Ribosome Stalling and Treat Deep-Seated Infections”的研究论文。
针对微波能量低、难以直接激发电子-空穴对产生高产量活性氧（ROS）从而限制微波动态疗法（MWDT）治疗深部感染的瓶颈，研究团队创新性地提出了一种微波驱动的热载流子/极化触发催化策略。通过将微波热敏材料碳纳米管（CNT）与热电转换材料相结合，构建了塞贝克型（CNT-Bi₂Te₃）和热释电型（CNT-ZnO）两种微波-热-电串联反应器。该策略将微波转化为局域热源，进而激发热载流子或极化以高产率生成ROS，并与微波诱导的金黄色葡萄球菌核糖体停滞效应协同，实现了对多种致病菌的高效精准杀灭，为深部组织感染的微创治疗开辟了全新路径。
图1. 微波驱动的热载流子/极化触发催化并协同金黄色葡萄球菌核糖体停滞以对抗多种深部感染的示意图。
如图1所示，该研究提出了微波-热-电三级能量串联转换的新范式。以碳纳米管作为微波热敏核心，在微波辐照下作为纳米级局域热源，分别驱动Bi₂Te₃产生空间温差以激发热载流子，或驱动ZnO快速温度波动以触发极化电荷释放，从而高效生成ROS。同时，微波辐照本身会引发金黄色葡萄球菌的核糖体停滞，干扰其蛋白合成和代谢，减少毒力因子分泌。这种ROS高效产生与原位核糖体功能抑制的协同作用，为治疗深部感染提供了全新的“催化治疗+物理干扰”双靶向策略。
图2. 两种典型微波-热-电串联反应器的表征。（a）不同材料的微波热曲线和红外热图像；（b）Bi₂Te₃在不同温度变化下的热电电压变化；（c）ZnO在20°C温差下的热释电电流密度曲线；（d）CNT、Bi₂Te₃、CNT-Bi₂Te₃、ZnO和CNT-ZnO的XRD图谱（插图为CNT-ZnO的放大XRD曲线）；（e）CNT-Bi₂Te₃的典型TEM图像及EDS元素分布图；（f）CNT-ZnO的典型TEM图像及EDS元素分布图；（g）紫外-可见漫反射光谱；（h）(αhν)⟡ 与光子能量(hν)的关系图；（i）紫外光电子能谱。
通过如图2所示的系统表征，确认了两种串联反应器的成功构建。在微波辐照下，CNT溶液可在5分钟内迅速升至56.4℃，远优于Bi₂Te₃和ZnO，证实了其优越的微波热转换能力。Bi₂Te₃和ZnO分别展现出了稳定的塞贝克电压输出和热释电电流响应。XRD和TEM元素分布显示Bi₂Te₃六方纳米片和ZnO均匀紧密地生长在CNT两侧，形成了清晰的异质界面。能带结构分析进一步揭示，CNT与半导体接触后会形成内建电场，该界面电场有利于电子从Bi₂Te₃或ZnO向CNT的快速转移，为其后续高效催化反应奠定了结构基础。
图3. 两种微波-热-电串联反应器的微波驱动热载流子/极化触发催化性能。（a）塞贝克效应将空间温差（dT/dx ≠ 0）转化为电能的示意图；（b）塞贝克型串联反应器在有无微波下的瞬态电流响应；（c）不同材料在微波辐照下经DCFH-DA染色的ROS定量荧光强度分析；（d）不同CNT掺杂量的塞贝克型串联反应器在微波辐照下的升温曲线；（e）不同CNT掺杂量的塞贝克型串联反应器在相同微波功率下的ROS产量及CNT₁₅-Bi₂Te₃在不同微波功率下的ROS产量；（f-h）不同材料在微波辐照下的（f）超氧阴离子（•O₂⁻）、（g）单线态氧（¹O₂）和（h）羟基自由基（•OH）产生情况；（i）热释电效应将时间温度变化（dT/dt ≠ 0）转化为瞬时电流的示意图；（j）ROS定量荧光强度分析及代表性荧光图像；（k）热释电型串联反应器在脉冲微波辐照下的典型瞬态电流响应；（l）热释电型串联反应器在不同微波功率下的ROS产量；（m-o）CNT-ZnO在持续或脉冲微波辐照下（m）•OH、（n）•O₂⁻和（o）¹O₂的EPR测量；（p）EPR定量分析。
如图3所示，两种串联反应器均表现出远超单一材料的ROS高产率。CNT-Bi₂Te₃在微波辐照下产生瞬态电流响应，其ROS产量相比Bi₂Te₃提升了两个数量级，且主要为•O₂⁻。通过调控CNT含量和微波功率可优化空间温差，从而精确控制ROS产量，其中CNT₁₅-Bi₂Te₃性能最优。CNT-ZnO在脉冲微波下的瞬态电流呈现“升温-稳定-降温-归零”的四阶段特征，其ROS产量显著优于持续微波，且产量与功率正相关。EPR证实其产生了•OH、•O₂⁻和¹O₂三种活性氧。值得注意的是，持续微波下CNT-Bi₂Te₃的ROS产量更高，而脉冲微波下CNT-ZnO更具优势，揭示了不同工作机制对能量输出模式的响应差异。
图4. 微波驱动的热载流子/极化触发催化机理。（a）CNT-Bi₂Te₃在微波辐照下的温度分布有限元模拟；（b, c）从（a）中提取的材料特定空间位置的温度分布；（d）CNT-ZnO在单个脉冲微波周期内的温度分布有限元模拟；（e）单个脉冲微波周期内CNT和ZnO随时间的温度变化；（f）CNT-Bi₂Te₃在不同功率微波辐照前后的AFM图像及表面电势分布（插图：AFM图像）；（g）CNT-Bi₂Te₃的暗态和微波态接触电势差曲线；（h）CNT-ZnO在不同模式微波辐照前后的AFM图像及表面电势分布（插图：AFM图像）；（i）CNT-ZnO的暗态和微波态接触电势差曲线。
通过如图4所示的模拟与原位表征，直观揭示了热-电转换的微观过程。有限元模拟显示，CNT-Bi₂Te₃中CNT温度始终高于Bi₂Te₃，使得Bi₂Te₃内部产生了约8°C的稳定空间温差，驱动热载流子从热端向冷端扩散。CNT-ZnO在单个脉冲周期内，CNT与ZnO的升降温存在数百毫秒级的时间差，保证了温度随时间波动的必要条件。开尔文探针力显微镜（KPFM）原位监测表明，CNT-Bi₂Te₃的表面电势随微波功率增大而显著负移，证实了载流子定向移动；CNT-ZnO在脉冲微波下的表面电势降幅（-716 mV）远大于持续微波（-583 mV），直观证明了快速极性变化产生的更强电荷积累效应。
图5. 微波处理后金黄色葡萄球菌的转录组与代谢组学分析。（a）微波处理后差异基因表达的火山图；（b）所有差异表达基因的GO生物学过程富集分析；（c）前10位差异基因的KEGG通路富集分析；（d）激活通路及其相关基因的单独分析；（e）GSEA富集分析；（f）微波处理组与对照组金黄色葡萄球菌差异代谢物热图；（g）激活通路中代谢物的定量分析。
如图5所示，通过转录组学和代谢组学联用，系统解析了微波对金黄色葡萄球菌的生物学效应。GO和KEGG富集分析共同指向“翻译”、“核糖体”和“结构分子活性”等通路的显著改变，表明微波可以直接导致核糖体功能停滞。GSEA分析进一步证实翻译、肽生物合成及转运定位相关基因被显著下调。代谢组学定量显示，氧化应激相关代谢物含量上升，而调控膜完整性、物质代谢和耐药性的代谢物出现下降。这种多组学层面的证据表明，微波通过干扰核糖体功能抑制了蛋白质合成和细菌增殖，同时间接阻碍了群体感应信号肽的合成，降低了毒力因子分泌和耐药性，从而“削弱”了细菌的防御能力，为后续ROS攻击创造更有利条件。
图6. 微波-热-电串联反应器协同微波的体外抗菌性能。（a）有无微波辐照下不同材料处理金黄色葡萄球菌的涂板照片；（b）涂板计算的金黄色葡萄球菌菌落计数；（c）不同处理后金黄色葡萄球菌的代表性活/死荧光染色图；（d）不同处理后培养12小时的金黄色葡萄球菌菌液；（e）涂板计算的金黄色葡萄球菌菌落计数；（f, g）CNT-ZnO协同持续/脉冲微波抗金黄色葡萄球菌的定量分析及对应平板照片；（h）不同处理后金黄色葡萄球菌的SEM图像；（i）微波-热-电串联反应器与微波协同处理后金黄色葡萄球菌的代表性TEM图像；（j-l）CNT-ZnO协同微波抗临床肺炎克雷伯菌、临床金黄色葡萄球菌和白色念珠菌的荧光定位图。
如图6所示，体外抗菌实验展现了串联反应器协同微波的高效靶向杀菌能力。CNT由于富含含氧官能团，能与细菌细胞壁肽聚糖上的氨基结合，赋予串联反应器主动靶向细菌的能力，使细菌聚集在材料周围。CNT₁₅-Bi₂Te₃协同微波处理后，金黄色葡萄球菌数量从对数级6.464降至3.392，抗菌率达99.943%，且效果与微波功率正相关。CNT-ZnO在脉冲微波下的杀菌效果显著优于持续微波。SEM和TEM图像清晰显示，串联反应器协同微波处理后，细菌原本光滑饱满的球状结构出现严重皱缩和凹陷，肽聚糖层与内膜分界模糊，结构完整性被彻底破坏。此外，该体系对临床来源的革兰氏阴性肺炎克雷伯菌、革兰氏阳性金黄色葡萄球菌以及真菌白色念珠菌均展现高效杀灭能力，证明了其广谱抗菌潜力。
图7. 微波-热-电串联反应器对金黄色葡萄球菌感染骨髓炎的体内抗菌效果。（a）治疗5天后兔模型感染股骨和胫骨标本的大体照片；（b）骨小梁结构；（c）兔耳温度曲线；（d, e）血液中粒细胞和白细胞在治疗1天和5天的数量；（f）治疗1天和5天后的血常规检测；（g, h）血液中TNF-α和IL-6水平；（i-l）治疗一天后骨髓、肝脏和肾脏的涂板及细菌定量分析；（m, n）骨髓的IL-6和TNF-α免疫组化分析；（o）骨髓的H&E染色。
如图7所示，在兔急性骨髓炎模型中验证了CNT-ZnO协同微波优异的体内疗效。大体照片显示，仅CNT-ZnO+MW协同治疗组的大体标本无明显的溃疡和脓肿，骨小梁结构保持连续完整，且兔耳炎症热症状消退最快。血液分析显示，协同治疗组粒细胞和白细胞数降至正常范围，促炎细胞因子TNF-α和IL-6水平显著降低。骨髓、肝脏和肾脏中的细菌定量结果显示，协同治疗组的菌落数量大幅低于对照组。免疫组化染色中，协同治疗组的IL-6和TNF-α阳性信号最弱，H&E染色显示炎症细胞浸润、蛋白黏液渗出及脂肪组织破坏均得到明显缓解。这表明协同治疗可快速清除深部感染部位的致病菌，有效抑制炎症反应，保护组织结构免受侵蚀。
图8. 微波-热-电串联反应器的潜在应用。（a）CNT-ZnO雾化剂用于治疗肺炎的示意图、实物照片及抗肺炎克雷伯菌效果；（b）CNT-ZnO胶囊用于治疗肠炎的示意图、实物照片及抗铜绿假单胞菌效果；（c）CNT-ZnO微针用于体内慢性感染长期治疗的示意图、实物照片及抗临床金黄色葡萄球菌效果；（d）CNT-ZnO可注射水凝胶用于体内感染治疗的示意图、实物照片及抗金黄色葡萄球菌效果；（e）CNT-ZnO用于不同材料医用植入物/导管涂层的示意图及Ti-CNT-ZnO植入物抗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）效果；（f）CNT-ZnO掺杂不同材料医用手术线的示意图及PGA-CNT-ZnO抗大肠杆菌效果。
如图8所示，基于该串联反应器平台开发了一系列面向实际应用的抗菌产品。将CNT-ZnO分别与生理盐水、胶囊壳、透明质酸微针、海藻酸钠可注射水凝胶、医用植入物涂层及多种材质手术缝合线等载体复合，制备了雾化剂、胶囊、微针、水凝胶、Ti/PEEK/PVC植入物涂层和CT/PGA/MFN手术线等多样化产品。体外抗菌测试表明，这些产品在微波辐照下均可高效杀灭对应的目标致病菌，包括肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌、临床金黄色葡萄球菌、MRSA和大肠杆菌等。这充分证明了微波-热-电串联反应器不仅具有高度的材料适配性和加工灵活性，更具备从呼吸道感染、肠道感染到植入物相关感染和术后伤口感染等多种临床场景的转化潜力。
原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202502693
Doi：10.1002/adma.202502693
