官能团调控的PDINH/GO有机超分子光催化抗菌治疗

细菌感染每年困扰着数百万人，已成为一个全球严峻的公共卫生问题。由于抗生素的滥用，出现了具有多重耐药性的“超级细菌”。随着光学技术的进步和光催化材料的开发，光催化抗菌治疗又重新回归到人们的视野，且已成为耐药菌感染最具有前景的治疗方式之一。

济南大学的于欣课题组及其合作团队长期致力于光催化材料的开发及其对感染性疾病的治疗研究。开发了一种全有机半导体C₃N₄/PDINH异质结构光催化剂，对细菌表现出优异的杀伤效果，同时显示出较好的生物安全性（Adv. Mater., 2019, 33, 1901965）；结合材料光吸收能力，制备了MoS₂/rGO垂直异质结构，实现了光增强的三种拟酶催化活性协同抗菌。同时，由于垂直异质结构粗糙表面的拓扑作用，使其拥有出色的细菌捕获能力（Adv. Mater., 2020, 48, 2005423）；利用材料氢键之间的结合作用，开发了无机-有机杂化的Sn₃O₄/PDINH半导体异质结构，实现了对细菌的捕获，并且利用其增强的光催化能力实现了抗菌治疗（Small, 2021, 39, 2102744）。

在前期的基础上，济南大学于欣/王爱珠研究团队和国家纳米科学中心刘晶研究团队，在苝四甲酰二亚胺（PDINH）重结晶过程中引入氧化石墨烯（GO），制备了PDINH/GO超分子复合物。由于GO表面富含丰富的官能团，超分子复合物的HOMO和LIMO能级整体下移，增强了材料结构的稳定性。并且，官能团的引入使有机半导体形成了中间能级，使其可以利用750-1200 nm的近红外光，扩宽了吸收光谱，增强了光催化性能。同时，在光照下，羧基质子化成为高活性的羧基自由基，能够与细菌细胞壁上的氨基反应，生成酰胺化合物，通过化学键的结合实现了高效的细菌捕获能力。体外和体内实验都表明PDINH/GO具有良好的抗菌效果。并且， PDINH/GO显示出增强的表皮细胞增殖和迁移能力，能够促进小鼠的感染性伤口快速愈合。由于不含有金属元素，同时也具有良好的生物安全性。这种宽光谱响应、具有增强载流子分离能力、高效细菌捕获效率和加速伤口愈合能力的PDINH/GO超分子复合物，不仅能够实现有效的光催化抗菌治疗，而且成功的实现了官能团对材料的调控，为开发新型纳米材料提供了指导。

本文要点：

1. GO上官能团的引入不仅调节了有机半导体中间能级的形成，使其具备从紫外到近红外的全光谱光能吸收能力。还使有机半导体的HOMO和LUMO能级整体下移，有利于激子传输，使光生载流子更容易分离。

2. 增强的光生载流子可以激活GO上的羧基，使其以Lewis碱的形式存在，在细菌和材料的界面上形成酰胺键，表现出高效和稳定的细菌捕获能力。在这个过程中：活化的羰基自由基作为中间物，可以与细菌表面的氨基反应形成酰胺键。

3. PDINH/GO超分子复合物具有增强的光催化性能，其产生的活性氧自由基（ROS）能够直接作用到所捕获的细菌表面，实现高效的杀菌性能。并且其具有促进表皮细胞增殖和迁移的能力，加速受损皮肤的修复和再生，具有明显的抗菌治疗效果。

研究成果以“Regulation of functional groups enable the metal-free PDINH/GO advisable antibacterial photocatalytic therapy”发表在国际权威期刊Chemical Engineering Journal上。王龙伟，唐晓文，杨钟炜为文章共同第一作者。上述研究工作的得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、北京市自然科学基金、中科院百人计划的支持。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894722044862