Microenvironment-responsive electrocution of tumor and bacteria by implants modified with degenerate semiconductor film

用退化半導(dǎo)體薄膜修改的植入物，對腫瘤和細(xì)菌進(jìn)行微環(huán)境響應(yīng)性電擊

來源：Bioactive Materials 20 (2023) 472–488

 

摘要核心內(nèi)容：

1.研究開發(fā)了一種基于鎳鈦層狀雙氫氧化物（Ni-Ti LDH）薄膜修飾的植入物，通過電化學(xué)充電使其轉(zhuǎn)變?yōu)橥嘶雽?dǎo)體狀態(tài)（空穴富集狀態(tài)）。

2.該薄膜在生理環(huán)境中能根據(jù)微環(huán)境pH差異智能釋放空穴：腫瘤/細(xì)菌感染部位的低pH環(huán)境加速空穴釋放，通過氧化應(yīng)激殺傷癌細(xì)胞和細(xì)菌；正常組織的中性pH下空穴釋放緩慢，減少對健康細(xì)胞的損傷。

3.退化狀態(tài)與非退化狀態(tài)可通過電化學(xué)充放電循環(huán)切換，賦予植入物動(dòng)態(tài)調(diào)控能力。

 

研究目的：

解決植入物周圍腫瘤殘留導(dǎo)致的復(fù)發(fā)問題，以及術(shù)后放化療的全身毒性問題。通過開發(fā)局部化、微環(huán)境響應(yīng)的電療策略，實(shí)現(xiàn)靶向殺傷腫瘤細(xì)胞和細(xì)菌，同時(shí)減少對正常組織的損傷。

 

研究思路：

1.材料制備：在鎳鈦合金表面水熱合成Ni-Ti LDH薄膜，通過電化學(xué)充電調(diào)控其半導(dǎo)體狀態(tài)。

2.表征退化機(jī)制：結(jié)合XANES/XAFS、理論計(jì)算、電化學(xué)測試證實(shí)充電形成鎳空位導(dǎo)致退化半導(dǎo)體特性（高電導(dǎo)率、空穴富集）。

3.驗(yàn)證pH響應(yīng)性：OCP/EIS測試顯示H?加速空穴釋放；Unisense溶解氧電極證實(shí)酸性條件下氧產(chǎn)量更高，驗(yàn)證空穴反應(yīng)活性。

4.生物功能驗(yàn)證：

1.體外：退化薄膜在低pH下選擇性殺傷腫瘤細(xì)胞和細(xì)菌，但對正常細(xì)胞毒性低。

2.體內(nèi)：退化薄膜顯著抑制腫瘤生長并減少細(xì)菌感染。

5.可循環(huán)性：充放電循環(huán)可逆切換薄膜狀態(tài)，維持長期功能。

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義：

1.電導(dǎo)率數(shù)據(jù)（圖4b）：I-V曲線顯示退化薄膜（LDH(3 mA)）電導(dǎo)率提升4個(gè)數(shù)量級。意義：證實(shí)退化態(tài)高導(dǎo)電性，為電療提供物理基礎(chǔ)。

2.空穴釋放動(dòng)力學(xué)（圖6a,g）：OCP測試顯示退化薄膜在pH=4時(shí)電位下降速率比pH=8快10倍。意義：揭示H?濃度調(diào)控空穴釋放速率，實(shí)現(xiàn)微環(huán)境響應(yīng)性。

3.溶解氧數(shù)據(jù)（圖6i）：丹麥Unisense電極測量顯示LDH(3 mA)在pH=4時(shí)產(chǎn)氧量是pH=8的3倍。意義：直接證明空穴通過氧化反應(yīng)（2O_O + 2h? → O?↑ + V_O??）消耗晶格氧，產(chǎn)生強(qiáng)氧化環(huán)境。

4.細(xì)胞凋亡基因（圖7c）：Caspase-3/Bcl-2比值在腫瘤細(xì)胞中升高4-6倍。意義：證實(shí)空穴通過ROS線粒體通路誘導(dǎo)凋亡。

 

5.體內(nèi)腫瘤體積（圖8b）：LDH(3 mA)組腫瘤體積較對照組減少90%。意義：驗(yàn)證植入物局部電療的抑瘤效果。

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀：

 

使用Unisense溶解氧微電極（圖6i）定量了退化薄膜在不同pH溶液中的氧產(chǎn)量。數(shù)據(jù)顯示：

·pH=4時(shí)氧產(chǎn)量最高，因高H?濃度促進(jìn)空穴快速釋放，觸發(fā)反應(yīng)：2O_O（晶格氧）+ 2h?（空穴）→ O?↑ + V_O??（氧空位）。

·pH=8時(shí)氧產(chǎn)量最低，因低H?濃度使空穴釋放緩慢，反應(yīng)受抑制。

研究意義：

1. 直接證實(shí)空穴的強(qiáng)氧化性，通過消耗晶格氧產(chǎn)生活性氧（ROS），為"電擊"殺傷提供化學(xué)機(jī)制。

 

2.氧空位（V_O??）形成解釋薄膜超親水性（圖5g）：空位吸附水分子形成表面羥基，增強(qiáng)生物界面相互作用。

3.建立pH-氧產(chǎn)量定量關(guān)系，為微環(huán)境響應(yīng)性提供關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

 

結(jié)論：

1.退化LDH薄膜通過H?響應(yīng)性空穴釋放，實(shí)現(xiàn)腫瘤/細(xì)菌的選擇性"電擊"殺傷，正常組織損傷小。

2.空穴釋放的pH依賴性源于H?在LDH晶格中的高遷移率（圖6j），加速電荷中和。

 

 

3.充放電循環(huán)可逆切換薄膜狀態(tài)（圖9），為植入物提供動(dòng)態(tài)調(diào)控能力。