【COF光动力灭菌】BODIPY-COF纳米结构的甲氧基改性以提高光热和光动力细菌灭活效果

首页 > 行业动态 > 【COF光动力灭菌】BODIPY-COF纳米结构的甲氧基改性以提高光热和光动力细菌灭活效果

摘要：
山东第二医科大学王斌、周宝龙老师等报道的本篇文章（ACS Appl. Nano Mater. 2024）中针对抗生素耐药性日益增强的问题，开发了一种新型的抗菌材料。通过后甲氧基化方法，显著增强了基于BODIPY的共价有机框架（COF）纳米结构的光热和光动力活性。利用这种方法，制备了一种阳离子COF纳米结构IPB-COF，它在可见光照射下对革兰氏阳性和阴性细菌均展现出优异的协同光热和光动力治疗效果。与未甲氧基化的PB-COF相比，IPB-COF在低剂量下实现了快速灭菌，杀菌率接近100%。此外，体内实验表明IPB-COF纳米结构还具有高效和安全的伤口消毒能力，显著加速了感染伤口的愈合。本研究提出了一种简单而有效的方法，用于可调制备基于COF的抗菌剂，能够快速、安全、协同地对抗病原体细菌感染，规避抗生素耐药性。

研究背景：
1）抗生素耐药性增强，对公共卫生构成严重威胁，使得治疗传染病变得更加困难。
2）开发无抗生素的抗菌疗法，如光诱导抗菌疗法，利用光敏剂在光照下产生光动力和光热治疗效果。
3）通过后甲氧基化方法，制备了新型阳离子COF纳米结构IPB-COF，增强了光热和光动力活性，提高了对细菌的粘附能力，实现了快速、高效的灭菌效果。

实验部分：
1. 制备PB-COF和IPB-COF：
1) 通过聚合哌嗪和二醛-BODIPY，通过乙酰胺氨反应合成了PB-COF。
2) 通过直接甲氧基化处理PB-COF纳米结构，增强了材料与细菌的粘附能力，合成了IPB-COF。
2. 光热性能测试：
1) 使用638 nm激光照射，测量不同浓度下IPB-COF溶液的温度变化，评估其光热性能。
2) 记录了IPB-COF在不同激光功率下的温升曲线，以评估其光热转换效率。
3. 光动力性能测试：
1) 通过监测IPB-COF在光照下对DPBF探针的紫外吸收变化，评估其光动力性能。
2) 记录了IPB-COF在不同浓度下的紫外吸收峰变化，以评估其光动力效果。
4. 抗菌性能测试：
1) 使用平板计数法，评估IPB-COF对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌效果。
2) 记录了不同浓度下IPB-COF的杀菌率，并与未甲氧基化的PB-COF进行比较。
5. 生物相容性测试：
1) 通过细胞毒性实验，评估PB-COF和IPB-COF对正常细胞（HL-7702）的影响。
2) 通过溶血实验，评估PB-COF和IPB-COF对红细胞的毒性。
3) 通过伤口愈合实验，评估PB-COF和IPB-COF的伤口愈合能力。

分析测试：
1. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）：
1) 确认了PB-COF和IPB-COF的成功聚合，观察到甲氧基化后的特征峰。
2) IPB-COF在1706 cm−1处的强峰对应季铵盐，确认了成功的甲氧基化。
2. 固体13C核磁共振（NMR）：
1) PB-COF的13C NMR谱图显示了从0到200 ppm的宽峰信号。
2) IPB-COF的13C NMR谱图证实了单体的成功偶联。
3. 粉末X射线衍射（PXRD）：
1) 两种样品均表现为非晶态结构，特征宽峰位于25°C。
4. 热重分析（TGA）：
1) 两种样品均表现出高达200°C的热稳定性，IPB-COF由于引入甲基表现出更高的热稳定性。
2) IPB-COF在800°C时的重量损失为63.99%，而纯PB-COF为55.25%。
5. 紫外-可见吸收光谱：
1) IPB-COF在280-800 nm范围内显示出显著的吸收，表明其光疗潜力。
6. 比表面积和孔隙率测试：
1) PB-COF的比表面积为41.0 m²/g，甲氧基化后降至19.3 m²/g。
2) 孔隙体积从0.034降至0.018 m³/g，平均孔径从4.77 nm降至4.43 nm。
7. 扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）：
1) PB-COF由近球形颗粒组成，具有相互连接的大孔。
2) 甲氧基化后的IPB-COF保持了球形形态，HR-TEM分析确认了样品的非晶态结构。
8. 能量色散X射线（EDX）映射：
1) IPB-COF中C、N、B、F和O元素在整个复合基质中均匀分布。
9. 动态光散射（DLS）：
1) IPB-COF纳米结构的平均流体动力学尺寸约为3 μm，与未甲氧基化的PB-COF相似。
10. 光热稳定性测试：
1) IPB-COF在连续四次激光开/关循环中表现出一致且高效的光热响应，无显著温度波动。
11. 光热转换效率（η）：
1) IPB-COF的光热转换效率计算为67.82%，优于大多数最近报道的光热剂。
12. 抗菌耐久性测试：
1) IPB-COF在连续三个循环中对金黄色葡萄球菌的死亡率保持在96%以上，证明了其抗菌耐久性。
13. 细胞毒性实验：
1) PB-COF和IPB-COF对HL-7702细胞的存活率在测试浓度范围内均高于80%，显示出良好的细胞相容性。
14. 溶血实验：
1) 即使在500 μg/mL的高浓度下，PB-COF和IPB-COF的溶血率也仅为2.4%和2.3%，远低于5.0%的允许限。
15. 伤口愈合实验：
1) IPB-COF处理的细胞在48小时后伤口愈合率达到64.15 ± 3.78%，高于对照组和PB-COF组。
16. 跨孔实验：
1) 使用L929细胞模型进行的跨孔实验显示，PB-COF和IPB-COF组的细胞迁移能力显著提高，尤其是IPB-COF组。

总结：
本文通过后甲氧基化方法成功制备了具有优异光热和光动力抗菌性能的IPB-COF纳米结构。该材料在低剂量下实现了快速高效的灭菌效果，同时具有良好的生物相容性和促进伤口愈合的能力。这些发现为开发新型COF基光触发抗菌剂提供了新的思路。

展望：
本研究的积极影响在于提供了一种规避抗生素耐药性的新策略。未来的研究可以进一步探索IPB-COF在不同类型细菌感染中的应用，以及其在临床治疗中的潜力。此外，可以研究IPB-COF的长期稳定性和潜在的生物降解性，以评估其在实际应用中的安全性和持久性。

Postmethylation of BODIPY-Based Covalent Organic Framework Nanostructures for Improving Photothermal and Photodynamic Bacterial Inactivation
文章作者：Lin Ma,∥ Guoli Sun,∥ Hongmei Kong, Jing Wang, Yingying Ma, Zhengxuan Pan, Bin Wang,* and Baolong Zhou*
DOI：10.1021/acsanm.4c03235
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.4c03235

本文为科研用户原创分享上传用于学术宣传交流，具体内容请查阅上述论文，如有错误、侵权等请联系修改、删除。未经允许第三方不得复制转载。