【Ga-MOF】多巴胺螯合金属-有机框架纳米结构涂料作为光动力治疗放大器

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摘要：
淮阴工学院叶玮、孙静老师等报道的本篇文章（ACS Appl. Nano Mater. 2024）中报道了一种基于多巴胺(DA)、甲氧基苯蓝(MB)和MIL-96(Ga)粒子自组装形成的纳米结构光动力疗法(PDT)放大器复合涂层。该涂层在红光照射5分钟后展现出超过99%的细菌抑制率。利用Ga3+与DA之间的螯合作用，这些金属-有机框架(MOFs)可以稳定地附着在各种基材表面，如聚氨酯(PU)、无纺布和钛合金。Ga-MOF能够缓慢且持续地释放Ga3+，避免了Ga3+的快速水合作用。此外，装载MB后的纳米结构Ga-MOF复合涂层在红光触发下表现出PDT能力，通过Ga3+阻断细菌铁代谢，破坏细菌抗氧化系统，显著提高了PDT疗效。该IBAT/PDT涂层还展现出良好的体外生物相容性。本研究为医疗设备表面提供了一种创新的抗菌策略。

研究背景：
1. 医疗设备表面容易受到细菌粘附和生物膜形成，导致治疗失败甚至死亡。
2. 目前，抗生素的使用可以预防生物膜的生长，但过度使用可能导致细菌耐药性的发展。
3. 本研究通过使用Ga3+干扰细菌铁代谢，提出了一种新的抗菌表面构建策略，并通过光动力疗法增强了抗菌效果。

实验部分：
1. MIL-96(Ga)粒子的合成：
   - 将0.116克Ga(NO3)3·xH2O (0.0075摩尔)和0.076克1,3,5-三羧基苯(H3BTC, 0.01摩尔)分别溶解在60毫升超纯水和36毫升乙醇中，混合后转移到聚四氟乙烯(PTFE)衬里的150毫升水热反应器中，120°C反应5小时。
   - 通过离心收集得到的乳白色沉淀，并用乙醇和超纯水洗涤，随后冻干得到最终产品。
2. MIL-96(Ga)涂层的制备：
   - 将MIL-96(Ga)粒子(2 mg/mL)和多巴胺盐酸盐(DA-HCl, 2 mg/mL)分散在10 mM, pH=8.6的Tris-HCl缓冲液中，加入基材，在130 rpm, 30°C下摇动4小时。
   - 用去离子水清洗样品，并在240 W, 40 kHz下超声清洗2分钟去除未反应的MIL-96(Ga)，然后在烘箱中干燥。
3. MIL-96/DA/MB涂层的制备：
   - 将甲氧基苯蓝(MB, 2 mg/mL)溶解在乙醇中，加入MIL-96/DA样品，在110 rpm, 30°C下摇动4小时。
   - 最终样品用超纯水清洗，室温干燥，并在暗处保存。
4. ROS生成检测：
   - 将PU基样品(PU, DA, MIL-96/DA, 和 MIL-96/DA/MB)切割成0.5×0.5 cm²大小，浸入1,3-二苯基异苯并呋喃(DPBF)的乙腈溶液中，用660 nm红光(55 mW/cm²)照射5分钟，每40秒测量一次DPBF的吸光度。
5. 体外抗菌测试：
   - 将大肠杆菌(E. coli)和金黄色葡萄球菌(S. aureus)在37°C下培养12小时，调整至104 CFU/mL浓度，在PBS缓冲液(pH=7.4)中。
   - 将样品放置在24孔板中，向样品表面添加50 μL的细菌悬浮液，在37°C下培养4小时，然后用660 nm红光照射5分钟，最后用PBS超声清洗并涂布在LB琼脂培养基上。

分析测试：
1. X射线光电子能谱(XPS)：
   - 测得Ga 2p、O 1s和C 1s的结合能分别为1118.08 eV、532.08 eV和284.08 eV。
2. 比表面积和孔隙结构分析：
   - BET测量显示MIL-96(Ga)的比表面积约为11.28 m²/g，孔径分布在0−10 nm范围内。
3. Ga3+释放动力学：
   - ICP-OES分析显示MIL-96(Ga)在pH 7.4的PBS中Ga3+的释放呈现缓慢且持续的降解过程。
4. 紫外-可见(UV-vis)吸收光谱：
   - MIL-96/MB样品在660 nm处显示出新的吸光峰，表明MB的成功负载。
5. 热重分析(TGA)：
   - TGA结果显示，MB在MIL-96/MB中的负载量约为5.04 wt %，通过热降解在900°C时的质量损失来确定。
6. 荧光显微镜检测：
   - 使用O11荧光探针检测细菌内的ROS含量，MIL-96/DA/MB样品处理的细菌显示出最高的ROS含量。
7. 体外血液相容性测试：
   - 通过测量在不同样品上的红细胞溶血率来评估血液相容性，MIL-96/DA/MB涂层的溶血率低于5%。
8. 体外细胞毒性测试：
   - 使用CCK-8试剂盒和活/死细胞染色试剂盒评估样品的细胞毒性，MIL-96/DA/MB涂层对ECV304内皮细胞和MC3T3-E1成骨细胞的活性影响很小。
9. 细胞增殖测试：
   - 使用MIL-96/DA和MIL-96/DA/MB涂层的Ti基样品与MC3T3-E1成骨细胞共培养1和3天，通过CCK-8试剂盒测量细胞增殖率。

总结：
本文成功合成了MIL-96(Ga)粒子，并以其为基础，通过DA的螯合作用构建了一种新型的PDT放大器复合涂层。该涂层能够有效地产生ROS，并通过Ga3+的释放破坏细菌的抗氧化系统，显著提高了抗菌效果。此外，该涂层还展现出良好的生物相容性和促进细胞增殖的效果。

展望：
本研究为医疗设备表面抗菌提供了一种新策略，未来可进一步探索该涂层在实际临床环境中的应用效果。同时，建议作者对涂层的长期稳定性、抗耐药性发展以及在复杂生物环境中的抗菌效果进行深入研究。

Dopamine-Chelated Metal–Organic Framework Nanostructure-Based Coatings as a Photodynamic Therapy Amplifier
文章作者：Fengjun ShiSisi MaSen LiuJingjing LiuChao ZhangRujian JiangWei Ye*Jing Sun*
DOI：10.1021/acsanm.4c02925
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.4c02925

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