抗细菌生物膜促糖尿病感染创面愈合新技术：声催化氢气/空穴联合疗法

持续的微生物感染是糖尿病伤口难以愈合的主要原因之一。细菌生物膜的形成可以阻止抗菌药物的渗透，保护生物膜深层区域的微生物免受药物影响，促进了细菌高耐药性的发生。目前还没有针对生物膜的特定靶向药物。何前军教授最近提出一种声催化氢气/空穴联合疗法，为生物膜和细菌感染的糖尿病足溃疡的治疗提供了一种安全而有前景的策略。

声催化氢气/空穴结合的“内外协同”抗生物膜技术，如图所示，组织穿透性高于普通光的低强度医用超声（US）激发压电纳米材料产生氢分子（H₂）和空穴，分别在生物膜这座城堡的内、外扮演战士的角色，协同抗生物膜。H₂作为“特洛伊木马”，与生物膜城堡外的空穴“战士”配合，轻松渗透进生物膜城堡协同作战。

声催化氢气/空穴联合“内外协同”抗生物膜的策略和机理示意图

通过体外抑菌实验发现，C3N4纳米片体外超声催化产生的氢气/空穴可以有效灭活大肠杆菌（革兰氏阴性菌）和金黄色葡萄球菌（革兰氏阳性菌），并且可以通过调整超声照射时间来最大限度地提高抑菌效果。与单独的氢气疗法或空穴疗法相比，声催化氢气/空穴协同几乎杀死了所有的生物膜细菌，破坏了生物膜结构，表现出更明显的抗生物膜效果。H₂具有较高的跨膜能力，可深入到致密的生物膜中抑制细菌能量代谢，有效地从内部破坏生物膜。原位生成的强氧化性空穴可以破坏生物膜的表面结构，同时也影响细菌电子传递链。由此，氢气/空穴结合的“内外协同”作用发挥了高效的抗生物膜效应。

氢气/空穴联合疗法促进糖尿病小鼠感染创面的愈合

鉴于糖尿病创面的病理特点和特殊的微环境，研究团队开发了包封C3N4纳米片的水凝胶（C3N4@Gel）作为超声催化剂和耦合剂。体内实验进一步证实，基于C3N4@Gel+US的体内声催化氢气/空穴可以协同降低糖尿病小鼠创面细菌量，明显缓解局部及全身炎症，促进创面新生肉芽组织生成，从而实现糖尿病创面的高效愈合。治疗结束后小鼠的各项血液生化指标维持在正常范围内，多种组织脏器未见明显损伤，表明C3N4@Gel水凝胶敷料具有较高的生物安全性。

该项成果于2023年3月6日发表于国际著名期刊《National Science Review》。何前军教授和秦树存教授为共同通讯。《国家科学评论》（National Science Review，NSR）由中国科学院主管、科学出版社主办，致力于全方位、多角度报道中外自然科学各领域的重要成就。2021年度NSR影响因子23.178。