细菌感染是许多严重疾病最突出的根本原因之一。过去几十年来，青霉素等传统抗生素在取得巨大成就的同时，由于滥用抗生素，多药耐药（MDR）细菌的感染事件不断增加。因此，人们迫切需要开发具有高抗菌活性，低毒性，强选择性等特点的抗菌纳米材料。目前绝大部分的抗菌策略均会无差别得清除各种细菌，造成对机体局部功能的损伤。在这一方面，科学家始终期望发展新型抗菌策略实现对非必需杂菌的选择性杀伤，同时保留其它有益细菌的存活。

  光热疗法（PTT）由于可以将光能转化为局部升高的温度(≥50℃），并通过蛋白质变性导致细菌死亡而引起了越来越多的关注。苝二酰亚胺（PDI）衍生物具有高摩尔消光系数、优异的光稳定性和显著的可见光响应。在还原性环境下，其能够被还原为自由基阴离子，并表现出良好的光热转换能力。这种转化也可用于兼性厌氧微生物而非需氧微生物的选择性光热抗菌治疗。

  受此启发，杭州师范大学刘俊秋教授团队构筑了一种新型细菌出发的自由基纳米放大器，用于对兼性厌氧微生物进行选择性光热治疗（图1）。通过无模板共价组装策略，由PDI衍生物（DAPDI）和溴代柱[5]芳烃（LBP5）构建了分散良好的单层二维共价纳米（P5PD）。为了实现高效的抗菌活性：（1）构建带正电的二维P5PD纳米片，以改善水分散性、膜渗透性以及产生PDI自由基阴离子；（2）用季铵修饰的甘露糖衍生物（Man-HQA）可以通过主客体络合mP5PD改性为LBP5，以进一步改善生物相容性和与微生物的良好识别（图2）。同时厌氧微生物如大肠杆菌（E.coli）的缺氧条件可以在原位将mP5PD纳米片激发成自由基阴离子，这可以大大增强808nm激光照射下的光热抗菌治疗。相反，枯草芽孢杆菌（B.subtilis）等好氧微生物由于还原能力不足，不会诱导mP5PD自由基阴离子的形成。因此，这种二维mP5PD纳米片对不同的微生物表现出选择性的化学反应，可用于开发具有高细菌选择性的优良光热抗菌纳米材料。

  mP5PD纳米片的还原将牺牲它们的光动力效应，以实现自由基阴离子的光热转换。mP5PD与大肠杆菌之间的强结合有利于触发选择性光热抗菌治疗。mP5PD与大肠杆菌共孵育后，由细菌原位触发的mP5PD纳米片上自由基阴离子的生成，并通过紫外-可见光谱和电子顺磁共振（EPR）光谱对其进行了表征。结果表明，由于兼性厌氧菌大肠杆菌具有很强的还原能力，mP5PD纳米片上的PDI自由基阴离子可以被其成功触发，而需氧菌枯草杆菌在相同条件下不可能触发。在808nm激光照射下，mP5PD@E.coli在0.5 W/cm²激光照射30分钟后，大肠杆菌溶液迅速升高至65.7℃，这可能导致大多数脂蛋白变性，并导致微生物死亡。

  通过菌落形成单位（CFU）值评估对大肠杆菌和枯草杆菌的定性抗菌活性。在大肠杆菌检测中，发现当单独NIR照射30分钟或与mP5PD纳米片共同孵育时，近95.6%和73.9%的大肠杆菌菌落仍然存活。然而，经过近红外辐射mP5PD@E.coli，在相同条件下存活的大肠杆菌不超过1%。这些结果表明，mP5PD纳米片在808nm激光照射下表现出非常优异的光热抗菌活性。与上述结果相反，mP5PD纳米片对好氧枯草杆菌菌落的抗菌能力存在很大差异。在相同条件下，NIR组（98.6%）、mP5PD组（89.6%）甚至其组合mP5PD+NIR组（86.8%）的枯草杆菌CFU值均未观察到肉眼可见的差异（图3）。所有这些数据表明，由于大肠杆菌的兼性厌氧特性，它们对大肠杆菌菌株具有高度选择性的光热抗菌能力。

  以上研究成果发表在Chemical Engineering Journal 2022, 444, 136620上（DOI: 10.1016/j.cej.2022.136620）（影响因子IF, 13.273），该工作第一作者为王洁琼硕士，共同第一作者为李飞博士和徐政伟硕士。孙鸿程博士，于双江教授和刘俊秋教授为论文通讯作者。