本研究由浙江大学医学院附属口腔医院的姜云、Siow Lixuen、朱子玉、俞梦飞等研究者，联合新加坡国立大学化学与生物分子工程系的邢阔然、David Tai Leong等共同完成。论文发表于期刊 Bioactive Materials 第58卷（2026年），第123–138页，于2025年12月3日在线发表。该研究聚焦于口腔颌面部化脓性骨髓炎（pyogenic osteomyelitis，POM）这一难治性感染性骨病，开发了一种兼具光热抗菌、细菌响应性释药、免疫调控和成骨促进作用的多功能水凝胶治疗平台。
颌骨骨髓炎是一种严重的颌面部感染性疾病，最常见的致病菌为金黄色葡萄球菌（*Staphylococcus aureus*，S. aureus）。由于颌骨解剖结构复杂、局部血供较差、细菌易形成生物膜，加之全身应用抗生素难以在感染局部达到有效治疗浓度，传统治疗手段包括长期抗生素给药和手术清创，常面临残留感染、慢性炎症和骨愈合受损等棘手问题。光热治疗（photothermal therapy，PTT）作为一种无抗生素依赖的新型抗菌策略，通过光热转换剂将近红外（near-infrared，NIR）光能转化为局部高温，从而杀灭细菌并破坏生物膜，近年来受到广泛关注。
MXene（Ti₃C₂Tx）作为一种典型的二维材料，具有强近红外吸收、高导电性和局域表面等离子体共振（localized surface plasmon resonance，LSPR）特性，是颇具潜力的光热剂。然而，MXene的光热转换效率高度依赖LSPR，在生理环境中易受表面氧化和层间重新堆叠的影响，尤其在化脓性骨髓炎这类复杂感染微环境中，稳定性与效率显著下降。二硫化钼（MoS₂）是一种窄带隙半导体，具有宽谱近红外吸收能力和高效的非辐射弛豫特性。将MoS₂量子点原位掺杂到MXene纳米片上，可以通过协同作用拓宽吸收窗口、加速电子-声子耦合、抑制载流子复合，从而显著提高光热转换效率与稳定性。
此外，大多数现有的光热抗菌材料缺乏感染特异性响应能力，可能导致非选择性加热和周围组织损伤，同时也缺乏免疫调控和成骨支持功能。针对上述不足，本研究旨在开发一种细菌响应性的MXMoS₂ DNA凝胶（MXMoS₂ DNAgel），实现对颌骨化脓性骨髓炎的高效、靶向、多功能治疗。
本研究的工作流程主要包括以下几个环节：材料制备与表征、光热性能评价、细菌响应性降解行为验证、体外抗菌与免疫调控实验、体外成骨分化实验、转录组学与信号通路分析、以及体内动物实验验证。
1. MXMoS₂复合材料的制备与表征
首先，通过选择性刻蚀Ti₃AlC₂制备MXene纳米片，其扫描电子显微镜（SEM）图像呈现典型的多层手风琴状形貌。二硫化钼量子点采用自下而上的水相合成方法制备。随后将两者混合，在高温高压条件下进行原位掺杂，形成MXene@MoS₂杂化结构。SEM和透射电子显微镜（TEM）图像证实MoS₂量子点均匀整合到MXene片层上。X射线衍射（XRD）图谱显示，复合材料保留了MXene的（002）晶面特征峰（2θ ≈ 6°），同时出现了对应2H-MoS₂的（100）和（110）晶面衍射峰（2θ ≈ 32.7°和58.9°），表明二者成功杂化且晶体结构未被破坏。傅里叶变换红外光谱（FTIR）进一步确认了Ti–O、O–H和C–H等特征键的共存。能量色散X射线光谱（EDS）元素分布图显示钛（Ti）、碳（C）、钼（Mo）和硫（S）元素在杂化结构中均匀重叠分布。
2. 光热性能评价
在808 nm近红外光（3.0 W/cm²）照射下，MXMoS₂复合材料表现出显著优于单组分MXene和MoS₂的温度升高能力，120秒内可达约56.9°C。温度升高呈浓度依赖性，且经过五个开关循环后热疲劳极小，证明其具有优异的光热稳定性。与先前报道的MXene/MoS₂气凝胶和Ti₃C₂-壳聚糖-MoS₂纳米复合材料相比，本研究的MoS₂/MXene量子点凭借超小尺寸、丰富的缺陷位点和紧密的异质界面，实现了更高效率的宽带光吸收和非辐射能量耗散。
3. DNA凝胶的构建与力学性能评价
将MXMoS₂封装到由鲑鱼精DNA与聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）通过3D打印光交联形成的DNA基纳米水凝胶中。SEM显示水凝胶具有多孔网络结构。压缩测试表明，25% DNA含量的水凝胶具有最高的压缩强度和破坏应变，展现出优越的韧性和机械回弹性。流变学分析显示，其储能模量（G′）始终高于损耗模量（G″），且在频率扫描中G′值基本不随频率变化，说明网络结构稳定且弹性良好。在应变扫描中，25% DNA水凝胶在较大应变范围内保持类固体行为。
4. 细菌响应性降解实验
将水凝胶分别暴露于DNase I、金黄色葡萄球菌和RAW264.7巨噬细胞环境中，通过荧光成像和体积定量分析评估降解行为。结果显示，水凝胶在DNase I和金黄色葡萄球菌存在时发生显著降解，而在巨噬细胞环境中基本保持完整。进一步机制验证表明，金黄色葡萄球菌热核酸酶（SNase）比哺乳动物DNase I更能快速诱导凝胶降解和药物释放；加入DNase抑制剂金红三羧酸（ATA）或EDTA可有效阻断该过程，证实降解由细菌DNase特异性驱动。
5. 体外抗菌实验
以金黄色葡萄球菌为代表菌株，通过琼脂平板菌落计数、活/死荧光染色、细菌生长曲线、SEM形态观察和结晶紫生物膜染色等方法评估抗菌效果。结果表明，MXMoS₂ DNAgel联合NIR照射处理2分钟后，细菌菌落形成几乎完全被抑制，大量细菌呈现红色荧光（死亡），SEM显示细菌膜严重破裂和表面塌陷。在耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的N315、LAC和ST59菌株生物膜模型中也获得了类似的显著抗菌效果。
6. 免疫调控与成骨分化实验
在脂多糖（LPS）刺激的RAW264.7巨噬细胞模型中，qRT-PCR和ELISA检测显示MXMoS₂ DNAgel显著下调M1型标志物NOS2和IL-6的表达，同时上调M2型标志物IL-10和Arg1的表达。免疫细胞化学染色证实iNOS蛋白表达降低而Arg1蛋白表达增强。流式细胞术进一步显示MXMoS₂处理使巨噬细胞从iNOS⁺Arg1⁻（M1样）向iNOS⁻Arg1⁺（M2样）表型偏移。在成骨分化方面，MC3T3-E1前成骨细胞经MXMoS₂ DNAgel处理后，成骨相关基因RUNX2、SP7和ALP的表达显著上调，碱性磷酸酶（ALP）染色活性增强。
7. 转录组学与信号通路分析
对LPS刺激的RAW264.7细胞进行转录组测序，比较LPS单独处理组与LPS+MXMoS₂处理组的差异表达基因。基因本体（GO）分析和京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析显示，差异基因富集于骨母细胞分化、巨噬细胞活化、细胞黏附、细胞迁移、PI3K-AKT信号通路、ECM-受体相互作用等。加权基因共表达网络分析（WGCNA）鉴定出与实验组高度正相关的MEblue模块，蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络分析进一步从中识别出模块2与骨母细胞分化和Wnt信号通路密切相关。在Wnt信号通路基因中，Wnt4、Wnt5a和Wnt10a在实验组中显著上调。Western blot验证表明，MXMoS₂可激活Wnt4/β-catenin信号通路，而siRNA沉默Wnt4可显著减弱MXMoS₂诱导的M2极化和成骨蛋白表达，证明Wnt4/β-catenin通路在该过程中发挥关键作用。
8. 体内动物实验
建立C57BL/6小鼠下颌骨化脓性骨髓炎模型，在手术造成1 mm骨缺损后局部注射金黄色葡萄球菌（10⁷ CFU）诱导感染。术后第3天进行清创并植入不同水凝胶，其中一组同时施加808 nm NIR照射（3.0 W/cm²，1分钟）。实验分为四组：对照组（仅POM）、DNA凝胶组、MXMoS₂ DNAgel组和MXMoS₂ DNAgel+NIR组。术后第3天取伤口拭子进行细菌培养，4周后通过micro-CT、组织学染色（H&E和Masson三色染色）及免疫荧光染色评估骨再生和炎症情况。此外还进行了全身炎症因子ELISA检测、主要脏器组织学检查、血清生化分析、体内降解监测和荧光成像定位分析。
材料性能方面： MoS₂量子点掺杂显著增强了MXene的近红外光热转换能力。MXMoS₂复合材料在808 nm激光照射下120秒内升温至约56.9°C，明显高于单一组分，且具有浓度依赖性和良好的光热循环稳定性。这一增强效应归因于MXene的LSPR和高导电性与MoS₂的窄带隙半导体特性之间的协同作用，促进了宽带光吸收和高效非辐射弛豫。
细菌响应性方面： DNA水凝胶在金黄色葡萄球菌分泌的DNase作用下发生选择性降解，而在哺乳动物巨噬细胞环境中保持稳定。金黄色葡萄球菌热核酸酶比哺乳动物DNase I具有更快的降解动力学，DNase抑制剂可有效阻止降解。水凝胶在37°C、80%相对湿度条件下48小时后仍保留85%以上的质量，表明其具有良好的抗脱水能力。
抗菌效果方面： MXMoS₂ DNAgel联合NIR照射几乎完全抑制了金黄色葡萄球菌的菌落形成能力，活/死染色显示大量死菌，SEM观察到细菌膜严重损伤和表面塌陷。细菌生长动力学曲线和结晶紫生物膜定量均证实其具有显著的细菌生长抑制和生物膜清除能力。对三种MRSA菌株（N315、LAC、ST59）的生物膜模型也表现出强效的清除效果。
免疫与成骨调控方面： MXMoS₂ DNAgel在LPS刺激的RAW264.7巨噬细胞中显著下调M1标志物并上调M2标志物，在体内小鼠模型中同步观察到iNOS⁻Arg1⁺巨噬细胞亚群比例增加。在成骨分化实验中，MXMoS₂ DNAgel显著上调RUNX2、SP7和ALP基因表达，增强ALP活性。转录组学和WGCNA/PPI分析揭示差异基因富集于骨母细胞分化和Wnt信号通路，Wnt4、Wnt5a和Wnt10a表达显著上调。Western blot证实MXMoS₂激活Wnt4/β-catenin通路，而Wnt4沉默可阻断这一效应及下游的M2极化和成骨分化促进效应。
体内治疗效果方面： MXMoS₂ DNAgel+NIR组在术后第3天伤口拭子培养中细菌菌落数显著减少；4周后micro-CT三维重建显示该组新生骨量最多，骨密度（BMD）和骨体积分数（BV/TV）显著高于其他组；组织学染色显示最广泛的新骨形成。免疫荧光染色显示IL-6表达和TRAP阳性破骨细胞数量显著降低，而骨钙素（OCN）表达显著上调。在生物安全性方面，CCK-8实验、溶血试验、主要脏器组织学检查及血清生化指标分析均未显示明显毒性。体内荧光成像证实材料主要滞留于下颌缺损区域，且随时间的推移逐渐降解，未发生明显的全身器官分布。
本研究成功开发了一种细菌响应性的MXMoS₂ DNAgel多功能治疗平台。MoS₂掺杂显著增强了MXene的近红外光热转换效率，DNA水凝胶基体赋予体系细菌DNase触发的选择性降解能力。该平台不仅通过光热效应有效杀灭金黄色葡萄球菌和MRSA，还通过调控巨噬细胞极化减轻局部炎症，并通过激活Wnt4/β-catenin信号通路促进成骨分化和骨再生。体外和体内实验均证实了其优异的抗菌效果、骨修复能力和生物相容性。
该研究的科学价值在于，通过材料工程的合理设计，将光热治疗、细菌响应性释药、免疫调控和成骨促进等多种功能集成于单一平台，为解决感染性骨缺损这一临床难题提供了新的思路。在应用价值方面，该水凝胶系统具有可注射性、良好的力学性能和感染靶向性，有望成为颌面部化脓性骨髓炎局部治疗的候选方案。此外，该研究通过转录组学和蛋白质网络分析揭示了Wnt4/β-catenin信号通路在材料介导的免疫-成骨耦联中的关键作用，为智能生物材料的设计提供了新的分子靶点。
本研究的创新之处主要体现在以下方面：第一，通过MoS₂量子点原位掺杂MXene，利用二者的协同效应显著提高了光热转换效率，克服了单组分MXene在生理条件下易氧化失稳的缺陷。第二，利用细菌DNase这一毒力因子作为触发信号，实现了感染部位特异性的药物释放，避免了非选择性加热带来的组织损伤。第三，将光热抗菌、免疫调控和成骨促进三种功能整合于同一水凝胶平台，同时解决了感染清除、炎症消退和骨再生三个核心问题。第四，通过转录组学与WGCNA/PPI网络分析，系统阐明了Wnt4/β-catenin信号通路在材料介导的M2巨噬细胞极化和成骨分化中的关键作用，为后续研究提供了明确的分子机制依据。
该研究还注意到了近红外光在致密颌面组织中的穿透深度限制、DNA凝胶长期降解动力学和免疫原性仍需在大动物模型中进一步验证、以及慢性或生物膜相关骨髓炎可能带来额外的治疗挑战等问题。作者提出未来可探索与成骨诱导生长因子的联合应用、无线光触发平台以及多模态成像引导治疗等方向。这些讨论为该领域的后续研究提供了有价值的参考方向。