Advanced Science | 可见光激活 ZnO@CuO 同轴纳米纤维通过构建 p-n 异质连接促进感染皮肤伤口愈合

生物纳米资料前沿

基于活性氧（ROS）的抗微生物策略对光催化材料的非侵入性调控，为在共病条件下愈合感染伤口提供了有前景的方法。然而，大多数 ROS 生成光催化材料依赖紫外（UV）或近红外（NIR）光激活，这在便利应用和生物安全方面存在挑战。本研究开发了具有稳健同轴结构的新型锌 oxide@copper 氧化物（ZnO@CuO）纳米纤维，可通过可见光激活，通过光催化反应产生 ROS。内层和外层半导体层的有序排列提高了 p-n 异质结的接触效率，从而提高了纳米纤维中电子-空穴分离的效率。p-n 杂质结接触效率的提升是推动光催化性能改进和可见光下 ROS 产生增加的关键机制，从而提升应用便利性和生物相容性。ZnO@CuO 同轴纳米纤维在耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）感染小鼠皮肤伤口模型中表现出优异的抗菌性能和加速伤口愈合。同轴纳米纤维在早期控制感染，显著加速了伤口愈合。即使在感染性糖尿病伤口中，10 天内的愈合率也达到 92.3%。这一创新方法利用生物安全可见光，为感染伤口治疗提供了有前景的解决方案。

感染性伤口的愈合，尤其是合并糖尿病等基础疾病的患者，始终是临床实践中的一大难题。传统抗生素治疗面临耐药性风险，而其他依赖于紫外线或近红外光激活的光催化抗菌材料，则存在生物毒性或热损伤等局限。近年来，随着纳米材料与光催化技术的发展，一种基于活性氧（ROS）的非侵入性、时空可控的抗菌策略展现出巨大潜力。近期发表于《先进科学》的一项研究，报道了一种创新的氧化锌@氧化铜（ZnO@CuO）同轴纳米纤维，其可在生物安全的可见光下被高效激活，显著促进感染性皮肤伤口愈合，为解决这一临床痛点提供了新思路。

该研究团队采用同轴静电纺丝技术，成功制备出具有稳定核壳结构的ZnO@CuO纳米纤维。这种结构的设计精妙之处在于，将n型半导体氧化锌（ZnO）作为外壳，p型半导体氧化铜（CuO）作为内芯，构建了高效的p-n异质结。同轴排列极大地增强了两种半导体材料的界面接触效率，从而优化了内部电场，显著提高了光生电子-空穴对的分离效率。相较于无同轴结构的ZnO/CuO混合物或纯ZnO纳米纤维，这种新型同轴纳米纤维在可见光波段（400-700纳米）的吸收能力最强，并具有最窄的禁带宽度，使其能够在可见光驱动下高效启动光催化反应。

深入的光电化学与光谱学表征揭示了其性能增强的机理。同轴结构赋予了材料更高的瞬态光电流密度、更低的界面电荷转移电阻以及更长的载流子寿命。这意味着在可见光照射下，材料能够更有效地产生羟基自由基和超氧阴离子等活性氧物质。尤为重要的是，这种ROS生成在模拟感染伤口微环境的pH范围内（7.0-9.0）保持稳定，确保了其在体内的有效性。

在体外抗菌实验中，搭载了同轴纳米纤维的材料在可见光照射下，对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均表现出强大的杀灭能力，并能有效破坏细菌生物膜。这种抗菌效应被证实是ROS依赖性的。同时，材料在与细菌作用后仍能保持结构完整，显示出良好的稳定性。生物相容性测试也表明，在安全浓度下，该材料对细胞无毒性。

其作用机制在于精准的时空控制。在感染早期（1-3天），可见光激活材料产生局部ROS“风暴”，迅速清除伤口细菌，控制感染。体内荧光成像证实了该时段伤口处的高ROS信号。而随着感染被控制，在愈合中后期（7-10天），该组的ROS水平反而显著低于其他组，表明早期清创为愈合创造了良好的生理微环境，避免了持续感染导致的过度氧化应激和炎症。对氧化应激标志物8-OHdG和炎症因子TNF-α的检测也支持了这一结论。

参考消息：

https://www.x-mol.com/paper/2009873139740360704/t?adv