学术研究报告：具有抗菌和捕获死菌能力的反应性微针贴片用于皮肤感染治疗

作者及发表信息
本研究的通讯作者为Yuanjin Zhao（南京鼓楼医院风湿免疫科、东南大学生物科学与医学工程学院），合作作者包括Jingyang Shan、Xiangyi Wu、Junyi Che和Jingjing Gan。研究团队来自南京邮电大学有机电子与信息显示国家重点实验室等多个机构。该论文于2024年4月6日发表在期刊*Advanced Science*上，标题为“Reactive Microneedle Patches with Antibacterial and Dead Bacteria-Trapping Abilities for Skin Infection Treatment”。

学术背景
细菌性皮肤感染是全球公共卫生的重要威胁，现有治疗策略主要关注抑制活菌，但忽视了死菌残留引发的过度炎症及治疗过程中酸性微环境的影响。死菌释放的内毒素（如脂多糖LPS）会加剧炎症反应，阻碍组织修复。传统给药方式存在组织靶向性差、渗透不足等问题，而纳米材料等局部抗菌剂难以深入组织且无法清除死菌。因此，开发兼具杀菌、清除死菌及调节微环境功能的新型治疗手段具有重要意义。

本研究提出了一种基于反应性金属硼化物（magnesium boride, MgB₂）的微针（microneedle, MN）贴片（MgB₂ MN），通过水解产生碱性微环境杀灭细菌，并通过硼酸酯键捕获死菌以抑制炎症。研究目标包括：（1）验证MgB₂微粒的抗菌与抗炎功能；（2）开发可穿透皮肤的MgB₂ MN贴片；（3）评估其在动物模型中对皮下脓肿和伤口感染的治疗效果。

研究流程与方法
1. MgB₂微粒的制备与表征
- 方法：采用自上而下法（top-down method）从块体MgB₂材料制备缺陷丰富的MgB₂微粒（microparticles, MPs），通过扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）分析其形貌、晶体结构和化学组成。
- 关键发现：MgB₂ MPs表面粗糙，具有活性边缘缺陷（图2a-d），晶格间距0.351 nm对应MgB₂的（001）晶面（图2c）。XPS证实存在Mg-B键（185.8 eV）和B-B键（189.8 eV）（图2f-g）。

1. 功能验证

   • 碱性微环境生成：MgB₂ MPs水解后pH值随浓度增加而升高（图3a-b），可中和感染部位的酸性环境。
     
   • 抗炎作用：MgB₂ MPs通过结合LPS或死菌（热灭活MRSA）显著抑制巨噬细胞中炎症因子TNF-α和IL-6的表达（图3c-f）。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）显示水解产物中的B─OH键（3418 cm⁻¹）与死菌形成硼酸酯键（O─B─O，1072 cm⁻¹）（图3g）。
     
   • 抗菌性能：MgB₂ MPs对大肠杆菌（E. coli）、金黄色葡萄球菌（S. aureus）和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的杀灭效率均>5 log（图4a-f）。SEM显示细菌形态被破坏（图4g-i）。
     

2. MgB₂ MN贴片的制备与性能

   • 制备：将MgB₂ MPs集成至聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具中，制成针高600 μm、基底直径9 mm的微针贴片（图5a-c）。
     
   • 功能验证：
     
     • 抗菌：MgB₂ MN对E. coli和MRSA的杀灭效率分别为5.9 log和4.6 log（图5d-f）。
       
     • 死菌捕获：SEM证实微针表面可吸附死菌（图6b-c, e-f）。
       
     • 促进修复：MgB₂ MN促进角质形成细胞（HaCaT）和成纤维细胞（3T3）的增殖与迁移（图S12）。
       

3. 动物实验

   • 皮下脓肿模型：MgB₂ MN治疗16天后，脓肿面积从20.9 mm²降至0.1 mm²（图7c, f），炎症因子（TNF-α、IL-6等）表达显著降低（图7h-k）。
     
   • 伤口感染模型：治疗9天后，MgB₂ MN组伤口愈合率显著高于对照组（图8a-b），细菌载量减少5 log（图8d-e）。
     
   • 死菌诱导炎症模型：MgB₂ MN减少中性粒细胞（MPO标记）和巨噬细胞（F4/80标记）浸润（图S14）。
     

主要结果与逻辑关系
- MgB₂ MPs的水解特性（碱性微环境生成）为抗菌和调节组织修复提供了基础（图3）。
- 抗菌实验证明MgB₂ MPs通过破坏细菌结构实现高效杀菌（图4），而MN贴片的设计解决了药物渗透问题（图5）。
- 动物实验验证了MgB₂ MN在清除活菌、捕获死菌和抑制炎症方面的协同作用（图7-8），形成“杀菌-清除-修复”的完整治疗链条。

结论与价值
1. 科学价值：首次将反应性金属硼化物与微针技术结合，提出“杀菌-清除死菌”的双功能策略，为感染微环境调控提供了新思路。
2. 应用价值：MgB₂ MN贴片可高效治疗耐药菌感染和死菌诱导的慢性炎症，具有临床转化潜力。

研究亮点
1. 创新性方法：缺陷丰富的MgB₂ MPs通过水解实现局部pH调控和硼酸酯键介导的死菌捕获。
2. 多效功能整合：单一材料同时具备抗菌、抗炎和促进组织修复功能。
3. 动物模型验证：在MRSA感染的脓肿和伤口模型中均展示显著疗效。

其他价值
- MgB₂ MPs的抗氧化能力（清除87%·OH）可能对慢性伤口治疗具有额外益处（图S3）。
- 研究得到中国国家自然科学基金（52073060）和广东省基础与应用基础研究基金（2021B1515120054）等支持。

（注：文中图表编号与原文一致，如“图2a”指原文Figure 2a。）