【背景简介】细菌生物膜致密的细胞外基质能够阻止常规抗菌剂的膜内渗透，导致其很难被完全根除，也导致其相关疾病难以治愈。比如，糖尿病足的高糖微环境为细菌生物膜的生长提供了有利环境，导致糖尿病足创面的细菌感染难以根治。光催化氧化的途径近年来被提出通过产生活性氧物种（ROS）来破坏生物膜结构，但ROS的寿命（毫秒级时间尺度）和扩散距离（纳米级空间尺寸）都十分有限，难以抵达生物膜内部发挥作用，限制了其对细菌生物膜的杀伤效果。
【策略与原理】近日，上海交通大学氢科学中心丁文江院士团队何前军教授提出了一种压电催化产氢气和空穴内外协同抗生物膜的新概念，通过超声介导的压电催化产生氢气和空穴，分别在生物膜内部和外部发挥抗菌作用，实现内外协同高效抗细菌生物膜。基于此策略，该研究团队开发了一种具有合适能带结构的C3N4纳米片压电催化剂，在低强度医用超声作用下产生氢气和空穴，氢气在生物膜内部抑制细菌呼吸，而空穴原位氧化生物膜表面的多糖和NADH从而破坏生物膜细胞壁和阻止细菌电子传递链，协同高效抗菌（如下图所示）。
将C3N4纳米片混合在明胶水凝胶中制成一种新型压电催化产氢敷料（也起到一种超声耦合剂的作用），涂覆在细菌生物膜感染的糖尿病鼠创面上，然后使用超声理疗仪施以低强度超声波辐照（1 W/cm2, 50% duty ratio, 8 min for twice every other day），根除了创面表面的细菌生物膜，有效阻止了糖尿病创面的细菌生物膜感染，促进了糖尿病足创面的愈合。该工作提出的催化产氢内外协同策略为高效抗生物膜治疗提供了新思路。
国际著名的纳米催化医学专家施剑林院士在《国家科学评论》上高亮评价了本工作，认为：“该工作为氢医学治疗重大疾病打开了一扇窗”。详见：Jianlin Shi, Sonocatalytic hydrogen generation breaks the heart of super bacteria—a hydrogen solution to super bacteria?, National Science Review, 2023, 10, nwad101.
【发表成果】相关工作发表在国际著名期刊《国家科学评论》，详见：Sonocatalytic hydrogen/hole-combined therapy for anti-biofilm and infected diabetic wound healing, National Science Review, 2023, 10, nwad063.
论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwad063