口腔颌面部皮肤和软组织感染是一种由致病菌侵入表皮、真皮和皮下组织而引起的炎症性疾病，目前抗生素是治疗感染的治疗方法。然而，抗生素的广泛使用导致了多重耐药菌株的出现，同时生物膜的形成进一步阻碍了耐药细菌的彻底根除。因此生物膜的清除是治疗口腔颌面部皮肤或口腔内生物膜感染的重要问题。由于细菌团聚产生的细胞外基质组成了三维致密且厚实的生物膜，使得传统抗菌材料在生物膜中难以渗透且抗菌作用差，生物膜无法被分解从而导致致密的生物膜难以去除，感染持续存在。
依据传统抗菌材料渗透难、分解菌膜效果差的局限性，受传统云爆弹的启发，作者提出了一种瞬时穿透并分散碎片造成大范围损害生物膜的方法，合成了磁性纳米云爆弹(ZIF-L-Fe)。当对细菌生物膜上的ZIF-L-Fe施加磁场时，ZIF-L-Fe迅速穿透生物膜，在局部形成弹坑，随即在高速旋转的磁场下通过物理方法快速裂解生物膜。最后通过渗透入生物膜部位的铁纳米颗粒的光热和催化性能将碎裂的生物膜残块及细菌清除。体外耐药生物膜模型证明ZIF-L-Fe可在低温下杀死耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)生物膜，为皮肤和软组织感染的抗生物膜治疗提供了一种新思路。该研究以“A Magnetic Cloud Bomb for Effective Biofilm Eradication”为题发表在《Adv. Funct. Mater.》上。
图1 磁性纳米云爆弹(ZIF-L-Fe)的抗生物膜机理示意图（a）及穿透性能（b）
该研究利用咪唑沸石骨架作为一种优良的载体，调整合成比例，使ZIF从片状结构组装为边缘锋利的花状结构，这使得生物膜更容易被材料穿透，并在表面形成弹坑，有助于带动铁纳米粒子深入生物膜并发挥相应抗菌作用。以ZIF-L为载体的纳米颗粒增强了铁纳米颗粒在其表面的分散性，与商业化的Fe3O4纳米颗粒及MOF结构相比，纳米颗粒的片状堆积和团聚减少，在增强铁纳米颗粒分散性的同时，使得ZIF-L-Fe的催化活性和对生物膜的渗透性提高。
图2 ZIF-L-Fe与商业化的Fe3O4纳米颗粒在相同Fe摩尔浓度情况下的分散性及催化性
为了研究ZIF-L-Fe在生物膜中的运动情况，本研究利用荧光显微镜观察了磁场作用下ZIF-L-Fe在细菌生物膜中的运动效果。在磁场作用下，ZIF-L-Fe可作为生物膜中的穿梭器，破坏生物膜的致密结构，使抗菌材料得以渗透。在不同的磁场下，可观察到纳米粒子的磁向性排布及相应的旋转。证明了ZIF-L-Fe在细菌生物膜中的运动能力，使其能破坏生物膜的致密结构。
图3 在特定方向的磁场下，ZIF-L-Fe的向磁性(a)及旋转磁场下的旋转运动(b)
以上性能的提升使得ZIF-L-Fe在体内实现温和的光热治疗，提升光热治疗在体内应用的生物安全性。
图4 ZIF-L-Fe体内光热性能
总结：合成了一种多功能的ZIF-L-Fe磁性纳米云炸弹，通过提升材料分散性及在生物膜中的穿透性能，在磁场作用下，结合低温PTT和CDT，具有较强的协同抗生物膜活性。
本论文的第一作者为吉林大学口腔医学院与北京大学口腔医学院的联合培养型硕士研究生钱宇平，北京大学口腔医学院博士后张栌丹，通讯作者为北京大学口腔医学院王宇光副教授，吉林大学口腔医学院王敏副教授。本研究依托北京大学口腔生物材料和数字诊疗装备国家工程研究中心，并获得了吉林省教育厅科学研究项目及国家自然科学基金的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202214330