深层细菌感染（DBIs）具有顽固性和对组织的深层渗透能力。消除深层顽固细菌和促进组织再生面临巨大的挑战。本文设计了一种新型的细菌响应水凝胶（SFT-B Gel），可用于DBIs实时监测和近红外二区深层光热治疗（NIR-II PTT）。以甲基化三嗪（TPT³⁺）浸染后的丝素蛋白溶液为骨架，与超离液阴离子（B₁₂H₁₂^2-）通过离液效应交联形成SFT-B Gel。此外，SFT-B Gel表现出DBIs的实时监测能力，在细菌存在的情况下，可以被细菌原位还原生成TPT^2+?自由基。含自由基的SFT-B Gel（SFT-B★ Gel）具有较强的NIR-II吸收和优异的光热效应，可以快速消除DBIs和促进感染组织快速愈合。本研究为利用离液效应构建具有独特性能的智能水凝胶提供了新的途径。

图1. 离液效应诱导丝素蛋白溶液Sol-Gel转化以及细菌原位响应NIR-II深层光热抗感染

  近期，武汉科技大学王晓强副教授基于硼簇的离液效应开发了一种具有DBIs实时感染监测和NIR-II深层PTT的新型可注射水凝胶（SFT-B Gel）（图1A）。首先，丝素蛋白（SF）利用静电相互作用与甲基化三嗪（TPT³⁺）结合形成SFT Sol，作为水凝胶前体。然后，通过TPT³⁺和B₁₂H₁₂^2-之间的离液效应实现溶胶-凝胶（Sol-Gel）转变，诱导丝素蛋白交联。结果表明，随着B₁₂H₁₂^2-水溶液不断加入到SFT Sol中，可以制备出具有自愈合性能和可注射性的SFT-B Gel（图1B）。在DBIs中，甲基化TPT³⁺可以被兼性厌氧菌（如E. coli和S. aureus）原位还原生成自由基形式（TPT^2+?），并伴有明显的颜色变化（从白色变为黑色）。超分子晶体通过离液效应形成的空间效应和自旋密度的离域极大地稳定了TPT^2+?自由基。SFT-B★ Gel在NIR-II范围内表现出较强的吸收和优异的光热转换效率（38.13%），具有卓越的抗菌效果。此外，SFT-B Gel还可以作为组织工程支架，具有出众的生物相容性和生物降解能力，有助于促进感染组织快速愈合（图1C）。该工作以“Chaotropic Effect Induced Sol-Gel Transition and Radical Stabilization for Bacteria-Sensitive Near-Infrared Photothermal Therapy”为题发表在《Nano Letters》期刊上（https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c00860）。文章共同第一作者是武汉科技大学李文珍博士以及王子鑫博士。该研究得到国家自然科学基金、湖北省人才计划和煤转化与新型炭材料湖北省重点实验室的支持。

1. 离液效应促进溶胶-凝胶（Sol-Gel）转化

  如图2B-E所示，通过离液效应，TPT³⁺与B₁₂H₁₂^2-紧密排列，形成块状或棒状的超分子晶体（TPT-B₁₂），而在SFT-B Gel中，TPT-B₁₂的形态发生了明显的变化，形成直径150 nm球形纳米颗粒（图2F，G），并且在冷冻干燥后观察到多孔交联水凝胶结构（图2H-J）。

图2. TPT-B₁₂的单晶X-Ray衍射（SXRD）结构及TPT³⁺与B₁₂H₁₂^2-之间的相互作用

2. 细菌响应原位还原与NIR-II光热效应

图3. 细菌原位还原SFT-B★ Gel及体外NIR-II（1064nm，0.5 W/cm²）光热抗菌效果

  细菌响应原位还原如图3A所示，SF Sol、SFT Sol以及SFT-B Gel与细菌菌液共培养24后，SFT Sol与SFT-B Gel均出现明显的颜色变化，SFT Sol从白色变为浅黄色，而SFT-B Gel从白色变为黑色。图3B，C所示的紫外-可见（UV-Vis）光谱变化和电子顺磁共振（EPR）波谱变化进一步说明，共培养后发生颜色变化是因为甲基化三嗪（TPT³⁺）被细菌原位还原生成TPT^2+?自由基形式导致的，且在600~1200 nm范围内具有较强的吸收，在NIR-II激光（1064 nm，0.5 W/cm²）照射下具有显著的光热效应和光热稳定性（图3E，F）。基于此，对SFT-B Gel在NIR-II的PTT抗菌活性进行了研究。如图3G，I所示，SFT-B★ Gel显示出NIR-II光热抗菌效果，E. coli和S. aureus抗菌效率分别达到99%和98%以上。此外，经SFT-B★ Gel Light组处理后的细菌SEM成像显示，细菌出现严重的损伤和内容物泄漏，说明SFT-B★ Gel在NIR-II激光照射下具有显著的光热抗菌能力（图3H）。这种设计不仅实现了对细菌的实时监测识别，也为处理DBIs提供了一种潜在的新策略。

3. 组织工程支架与NIR-II光热治疗DBIs

图4. SFT-B Gel作为组织工程支架与体内NIR-II光热治疗DBIs

  SFT-B Gel作为组织工程支架具有良好的生物相容性。如图4B-D所示，与SF Sol、SFT Sol和TTP-B₁₂相比，SFT-B Gel显示出与丝素-单宁酸水凝胶（SF-TA Gel）相同的促进细胞迁移和细胞增殖的能力，说明SFT-B Gel适用于体内抗感染治疗。随后，如图4A方案所示，建立小鼠皮下DBIs模型进行了体内深层光热治疗。如图4E所示，小鼠皮下注射混有S. aureus菌液的SFT-B Gel后，随着培养时间的增加，观察到感染部位出现明显的颜色变化。之后，在1064 nm激光照射（1.0 W/cm²，5 min）下，SFT-B★ Gel Light组小鼠脓肿部位温度显著升高至56.0 ℃（图4F，G），而其他对照其温度变化不明显。最后，经SFT-B★ Gel Light组处理后的脓肿部位快速愈合，在第10天创口基本愈合完全。相应地，如图4K-O所示，各组处理后的感染部位组织液细菌平板及组织切片进一步证实了SFT-B Gel作为DBIs实时监测水凝胶敷料和组织工程支架具有突出的临床应用潜在价值。

小结

  该工作是团队近期利用离液效应制备实时监测细菌感染和NIR-II深层光热治疗DBIs的可注射水凝胶的最新进展。该方法采用丝素蛋白（SF）、甲基化三嗪（TPT³⁺）和超离液阴离子（B₁₂H₁₂^2-）构建了一种新型的细菌响应可注射水凝胶（SFT-B Gel）。SFT-B凝胶在DBIs微环境下表现出显著的细菌响应行为，颜色变化明显（从白色到黑色），并且在NIR-II（1064 nm）激光照射下具有显著的光热效果。此外，SFT-B Gel还具有突出的生物相容性和自降解能力，可以作为组织工程支架促进DBIs伤口愈合。

  原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c00860