导读

骨科植入物细菌生物膜感染，尤其是缺氧环境下形成的顽固生物膜，是临床上常见的并发症。传统抗生素疗法与被动表面涂层策略，在生物膜形成的物理屏障（致密的胞外聚合物基质）和细菌耐药性的双重阻碍下，效果甚微，成为临床上亟待攻克的重要挑战。针对上述问题，广西医科大学刘金文教授团队开发了一种近红外二区（NIR?II）光触发的尖端局域增强等离子体催化体系，实现高效的光热-催化协同抗菌，进而在缺氧条件下高效清除生物膜。该策略为骨科植入物相关感染的精准光响应治疗提供了新思路。相关研究成果以“NIR?II?triggered plasmonic catalysis with tip?localized enhancement: a strategy for hypoxic biofilm eradication on orthopedic implants”为题发表于国际顶级学术期刊《Light: Science & Applications》。

研究背景

骨科植入物感染是临床常见的并发症。细菌在植入物表面聚集分泌形成三维的细菌生物膜。生物膜外围包裹着致密的胞外聚合物基质，主要由胞外DNA、蛋白质和多糖组成。这层基质不仅增强了细菌群落的机械稳定性，还充当物理屏障阻挡免疫细胞浸润和药物渗透，导致感染反复发作。目前清除生物膜的策略面临多重挑战。传统抗生物膜策略可分为被动和主动两类：被动策略依靠抗菌涂层或纳米拓扑结构预防生物膜形成，但对已形成的生物膜几乎无效，且涂层长期失效后仍需二次手术；主动策略依赖大剂量抗菌药物，却面临渗透困难、加速耐药等瓶颈。因此，亟需开发既能高效穿透生物膜、又具备广谱抗菌能力且不诱导耐药的新方法。

近年来，纳米酶（Nanozyme）因其能催化产生活性氧而受到广泛关注。然而，现有光响应纳米酶多局限于紫外或可见光波段，组织穿透深度有限，难以作用于深部骨植入物。同时，感染部位常处于缺氧状态，依赖氧气的光催化路径往往失效。此外，在纯金属纳米结构中，光生热电子与空穴极易快速复合，导致催化效率低下，难以满足治疗需求。

研究亮点

针对上述挑战，研究团队设计并构建了一种NIR-II触发的尖端局域增强等离子体催化体系。如图1a所示，通过在金纳米双锥（Au NBPs）尖端选择性沉积铂纳米颗粒（Pt NPs）构建了具有尖端局域增强效应的异质结构（ePt-Au NBPs）。这种巧妙的结构设计带来了多重优势：（1）局域表面等离子体共振吸收峰吸收峰从NIR-I红移至NIR-II窗口，并减少低散射引起的图像模糊；（2）提高Au NBPs内光生电子-空穴对的空间分离效率，促进热电子Au NBPs迅速转移至尖端Pt NPs，有效抑制电荷快速复合，延长光诱导电荷载流子的寿命；（3）Au NBPs尖端的强电磁场为Pt NPs提供了额外的热电子生成，实现过氧化物酶（POD）样活性和光热性能的显著增强。

通过静电表面自组装可将ePt-Au NBPs固定在钛（Ti）骨植入物上，进一步用RGDC多肽官能化修饰，形成Ti/ePt-Au-NBP/RGDC。这种表面改性赋予了的等离子体催化体系优异的生物相容性和成骨活性，确保了其与骨植入物的无缝集成。在NIR-II光照下，该体系高效产生羟基自由基（·OH），从而促进生物膜内eDNA的切割，破坏生物膜的完整性，最终使细菌对热消融敏感。令人兴奋的是，即使在缺氧条件下，NIR-II等离子体增强的POD样活性和局部高温的协同作用也可以通过消耗细胞内谷胱甘肽（GSH）、加速脂质过氧化、破坏细胞膜完整性和诱导蛋白质泄漏，从而高效清除细菌生物膜并促进骨修复（图1b）。

图1：Ti/ePt-Au NBPs/RGDC的设计及用于缺氧细菌生物膜根除和骨修复过程的示意图。

(a) ePt-Au NBPs的合成路线和光催化机理。(b) NIR-II光照射细菌生物膜根除和RGDC介导的成骨分化过程。

研究团队利用多种手段对合成的ePt?Au NBPs进行了结构和组成表征、光热性能及催化活性研究（图2）。结果表明Pt NPs主要沉积在Au NBPs的尖端，且Pt NPs尖端沉积后，ePt-Au NBPs 的纵向LSPR吸收峰从NIR-I 区的839 nm 处红移至NIR-II区的1050 nm处。进而，在NIR-II（1064 nm，0.6 W/cm²）光照下，与Au NBPs相比，ePt-Au NBPs具有更优越的光热性能，更高的光热转换效率（64%），显著提高的POD样催化活性，更高的光电流密度，及更快的热电子转移速度。这些结果表明Pt NPs的沉积一方面促进NIR吸收的红移，另一方面显著增强了光热性能和光催化活性。

图2：ePt?Au NBPs的表征、光热性能及催化活性研究。

(a) Au NBPs的透射电镜图（比例尺：200 nm）。(b) ePt?Au NBPs的透射电镜图（比例尺：50 nm）。(c) 沿ePt-Au NBPs长轴的EDS元素线扫描图。(d) Au NBPs和ePt -Au NBPs的紫外-可见-近红外吸收光谱。(e) NIR-II光照下Au NBPs和ePt-Au NBPs溶液的温度升高曲线。(f) Au NBPs和ePt -Au NBPs的光热转换效率。(g) NIR-II光照前后Au NBPs和 ePt -Au NBPs过氧化物酶样活性的变化。(h) NIR-II光照下Au NBPs和ePt -Au NBPs的光电流响应。(i) NIR-II光照下Au NBPs和ePt -Au NBPs的电化学阻抗光谱。

进一步地，研究通过层层自组装技术将ePt?Au NBPs固定在钛植入物表面，并修饰RGDC多肽，得到Ti/ePt?Au NBPs/RGDC多功能植入物。其表面亲水性显著增强(接触角从59.5°降至28.1°) ，使得有利于细胞黏附。在缺氧条件下，NIR?II光照及H2O2加入时，Ti/ePt?Au NBPs/RGDC对金黄色葡萄球菌生物膜的清除率达到近100%，显著优于单一光热或催化处理。此外，机制研究表明，该体系一方面通过·OH裂解生物膜中的胞外DNA，破坏基质完整性；另一方面引起细菌膜脂过氧化、蛋白质泄漏和谷胱甘肽耗竭，最终导致细菌死亡。值得一提的是，该催化过程在缺氧条件下也能持续产生·OH，这一机制不同于依赖O2介导途径的传统光催化剂，因此其在慢性感染的缺氧微环境中依然高效。

体内实验采用SD大鼠股骨生物膜感染模型进行体内抗菌及促进骨整合的性能研究。如图3所示，Ti/ePt?Au NBPs/RGDC植入物在NIR?II光照下局部温度可迅速升至50 °C（对照Ti组仅升至38 °C），表明其在体内仍然具有良好的光热性能，可有效清除植入物体内的生物膜。组织学染色表明，治疗组中性粒细胞浸润和细菌聚集显著减少，炎症反应轻微。同时，通过RGDC多肽修饰，该植入物显著促进了MC3T3?E1成骨前体细胞的黏附、增殖和成骨分化，碱性磷酸酶活性、胶原分泌和矿化结节形成均明显增强。骨组织切片染色显示，治疗组的新骨形成面积约为对照Ti组的1.7倍，且主要器官未见病理异常，表现出良好的生物安全性。

图3：Ti/ePt?Au NBPs/RGDC的体内抗菌活性评估。

(a) 动物实验流程图。(b) Ti 和Ti/Au/Pt/RGDC 植入部位的实时热成像照片。(c) Ti 和Ti/Au/Pt/RGDC植入物的温度升高曲线。(d) 不同处理组细菌菌落和浊度照片。(e) 不同处理组的细菌存活率。(f) H&E染色评价不同种植体周围软组织感染程度。比例尺：左为 100 μm，右为 50 μm。红色箭头表示中性粒细胞。(g)采用 Giemsa 染色评价不同种植体周围软组织感染程度。比例尺：左为 100 μm，右为 50 μm。黄色箭头代表细菌。

总结与展望

综上所述，该研究成功开发了一种NIR?II触发的尖端局域增强等离子体催化体系，并将其修饰于钛植入物表面，实现了对缺氧细菌生物膜的高效光热—催化协同清除。通过将Pt NPs选择性沉积于Au NBPs尖端，研究团队不仅将光响应窗口拓展至NIR?II区域，还显著提升了热电子分离效率和电磁场局域效应，从而大幅增强了·OH产生能力和光热性能。该平台在缺氧条件下依然保有卓越的抗菌活性，解决了深部组织光催化效率低和缺氧限制的问题，突破了传统光催化依赖氧气的局限。同时，RGDC肽的引入使植入物兼具抗感染和促骨整合的双重功能。该工作为骨科植入物相关感染的治疗提供了全新的纳米催化范式，有望推动下一代智能抗菌涂层和光响应治疗策略的临床转化。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02279-5