吴水林课题组在JACS 发表快速高效牙周炎治疗策略

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传统的手术干预和抗生素治疗对于多种口腔病原体引起的牙周炎等慢性疾病效果不佳甚至无效，这些慢性牙周炎疾病往往会导致组织逐渐受损和牙齿脱落，严重的甚至会造成全身性疾病。
       近期，美国化学会会刊Journalof the American Chemical Society发表了天津大学材料学院生物功能材料团队吴水林教授研究小组及其合作团队的一项最新研究成果” 2D MOF Periodontitis Photodynamic Ion Therapy”。该团队采用先进的原子层沉积技术，设计了一种原子层Fe2O3修饰二维卟啉基金属有机框架（2D MOF）内嵌的聚乙二醇软膏，利用光动力离子疗法用于牙周炎治疗（图1）。具体而言，在原子层沉积（ALD）之后，由于金属-连接体桥接单元、丰富的活性位点和优异的光捕获网络的协同作用，该2D MOF异质界面具有较低的吸附能和更多的电荷转移量，从而实现光催化活性的增强。这种生物相容性和生物可降解的2D MOF基异质结，在活性氧与释放离子的协同作用下，对多种口腔病原体（牙龈卟啉单胞菌、具核梭杆菌、金黄色葡萄球菌）表现出广谱抗菌活性（均大于99%）。由于快速的抗菌性能、减轻的炎症反应和改善的血管生成这三者的协同作用，这种光动力离子疗法表现出优于已报道的临床牙周炎疗法的治疗效果。

光催化机理

图1.一种基于2D MOF异质结的软膏通过光动力离子疗法用于有效治疗牙周炎的示意图。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

      2D MOF-Fe2O3的异质界面对于有效分离界面上的光激发电子-空穴对至关重要，从而延长电荷载流子的寿命并提高光催化活性。其中，时间分辨PL衰减曲线（图2D）表明，2D MOF-Fe2O3的荧光寿命（8.28 ns）明显短于2D MOF（15.59 ns）。在原子层Fe2O3沉积后，较短的荧光寿命代表较高的电荷分离效率，因为光生载流子在2D MOF-Fe2O3的特定活性位点的俘获会导致快速荧光衰减。在660 nm光照射下，2D MOF-Fe2O3组的ROS产率高于2D MOF组，说明2D MOF-Fe2O3比2D MOF具有更大的光动力治疗优势和潜力。
      2D MOF（CuTCPP）模型（图2J）相应的吸附能高于CuTCPP-Fe2O3模型的（图2K），表明游离O2更容易吸附在CuTCPP-Fe2O3上。这种没有能量势垒的自发化学吸附有利于后续的催化转化。另外，CuTCPP-Fe2O3模型中相应吸附位点（CuN4和Cu2O8活性位点）与吸附O2之间的电荷转移量大于CuTCPP模型中的。总之，CuTCPP-Fe2O3具有更低的吸附能和更多的电荷转移量。这些吸附能演化和电荷转移途径反映了CuTCPP和CuTCPP-Fe2O3的主要光动力机制。具体来说，外源光能将CuTCPP和CuTCPP-Fe2O3对应激发态能量和电荷转移到吸附的3O2上，从而生成活性1O2。这种机制提供了分子氧激活的原子尺度的视角，同时启发了基于2D MOF纳米材料（包括异质结构）合理的结构和催化设计。

光催化机理

图2. 2D MOF和2D MOF-Fe2O3光催化机理。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

       2D MOF-Fe2O3异质结具有良好生物相容性和合适生物可降解性，在活性氧与释放离子的协同作用下，对多种口腔病原体（牙龈卟啉单胞菌、具核梭杆菌、金黄色葡萄球菌）表现出广谱抗菌活性（均大于99%）。由于该材料具有快速抗菌性能、减轻炎症反应和改善血管生成这三种功效，相应光动力离子疗法表现出优于已报道的临床牙周炎疗法的治疗效果（图3）。

光催化机理

图3. 2D MOF异质结软膏用于牙周炎治疗。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

       这一成果于2021年9月发表在美国化学会会刊Journal of the American Chemical Society上。
       全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c07875


         文章来源：天津大学
        吴水林，教授，天津大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者，2007年毕业于香港城市大学，获工学博士学位。吴水林主要从事医用金属材料及其表面功能化改性研究，在多孔镍钛合金、纳米仿生支架材料以及人工骨组织工程，界面生物学等领域开展了多项研究，近年来专注钛金属植入体表面的功能化改性以及抗菌材料的研究工作。已经在Advanced Materials、Adv. Funct. Mater.、Prog. Mater. Sci.、Mater. Sci. Eng. R、ACS Nano、ACS Central Science、Biomaterials等国际权威期刊上发表论文130多篇，SCI引用超过3000次，H因子33，ESI高被引论文3篇，授权中国发明专利5项。主持973预研项目以及国家重点研发计划项目课题、湖北省杰出青年基金项目等。