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針對上述問題，北京大學(xué)吳水林和湖北大學(xué)劉湘梅教授團隊提出了一種創(chuàng)新的解決方案，通過構(gòu)建Zn(OH)F/CaF2異質(zhì)結(jié)，實現(xiàn)了聲動力治療（SDT）與骨再生的協(xié)同效應(yīng)。該異質(zhì)結(jié)利用CaF2和Zn(OH)F之間的界面工程，顯著降低了帶隙，加速了電子轉(zhuǎn)移，從而在超聲波的刺激下高效產(chǎn)生活性氧（ROS），有效殺滅牙周炎相關(guān)的病原菌。同時，Zn(OH)F/CaF2異質(zhì)結(jié)還能促進成骨相關(guān)基因的表達，加速牙周組織的修復(fù)和骨再生。該研究不僅提供了一種快速、高效、非侵入性的牙周炎治療方法，還為抗菌和骨修復(fù)材料的設(shè)計提供了新的思路。該文章于2025年3月28日以《Interfacial Engineering Enhancing Electron Transfer of CaF2 Nanoparticles for Periodontitis Treatment of Sonotherapy and Bone Resorption》為題發(fā)表于《ACS Nano》（DOI：10.1021/acsnano.5c01112）。

研究示意圖

（1）形貌和結(jié)構(gòu)表征

科研人員通過水熱法合成了Zn(OH)F/CaF2納米材料。由于CaF2含量較低，其特征峰并不明顯。通過高分辨率透射電子顯微鏡（圖1A）進一步觀察了材料的微觀結(jié)構(gòu)。高分辨率圖像清晰顯示了CaF2的0.185 nm（220）晶面和0.245 nm（200）晶面，以及屬于Zn(OH)F的0.273 nm（310）晶面和0.365 nm（210）晶面。此外，更高分辨率的放大圖像顯示了Zn(OH)F（110）晶面和CaF2（111）晶面之間形成的彎曲界面（圖1B）。能量色散X射線光譜（EDX）的元素分布圖顯示了Zn、F、O和Ca的分布。Ca元素的含量低于其他元素，表明CaF2的含量低于Zn(OH)F（圖1C）。F離子和H離子之間存在共價鍵（Zn(OH)F/CaF2），這可能有助于異質(zhì)結(jié)的形成（圖1D）。此外，Zn(OH)F/CaF2組中O、F、Zn和Ca的光譜向更低的能量水平移動，這可能歸因于CaF2和Zn(OH)F之間的界面。

圖1 Zn(OH)F/CaF2的特性。（A）Zn(OH)F/CaF2的高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像。（B）Zn(OH)F/CaF2的放大HRTEM圖像。（C）Zn(OH)F/CaF2的元素分布圖。（D）Zn(OH)F/CaF2的晶體結(jié)構(gòu)

（2）聲催化性能表征

科研人員通過電化學(xué)工作站測量了涂覆在導(dǎo)電玻璃片上的CaF?、Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF?溶液（含萘酚）的聲電流和阻抗。結(jié)果顯示，Zn(OH)F/CaF?的聲電流在超聲波作用下可達0.06 μA·cm?2，顯著高于CaF?和Zn(OH)F（圖2A）。Zn(OH)F/CaF?的阻抗最?。▓D2B），且聲電流在五次開關(guān)周期后保持穩(wěn)定，表明其電子轉(zhuǎn)移效率最高、速率最快。CaF?和Zn(OH)F形成異質(zhì)結(jié)后，帶隙降低至2.66 eV，催化能力提升（圖2C）。超聲波刺激下，Zn(OH)F/CaF?產(chǎn)生ROS并加速H?O?生成反應(yīng)。電子自旋共振光譜（ESR）檢測顯示，CaF?僅產(chǎn)生有限的羥基自由基（?OH），而Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF?產(chǎn)生所有三種類型的ROS（圖2D?F）。鄰苯二甲酸檢測表明，Zn(OH)F/CaF?與H?O?聯(lián)合后產(chǎn)生的?OH顯著多于單獨的Zn(OH)F或CaF?（圖2G）。超聲波處理后，Zn(OH)F/CaF?產(chǎn)生的?OH顯著多于CaF?和Zn(OH)F，且超聲波顯著提高了Zn(OH)F/CaF?與H?O?的反應(yīng)速率（圖2H?I）。

圖2 Zn(OH)F/CaF2在超聲波作用下產(chǎn)生活性氧（ROS）和聲催化性能。（A）在超聲波輻照下（1.5 W/cm2），CaF2、Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF2的聲電流。（B）CaF2、Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF2的電化學(xué)阻抗譜。（C）CaF2、Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF2的紫外-可見-近紅外光譜對應(yīng)的Kubelka-Munk函數(shù)圖。（D-F）在超聲波輻照下，CaF2、Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF2的?O2?、1O2和?OH的電子自旋共振（ESR）光譜。（G）通過鄰苯二甲酸檢測CaF2、Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF2在黑暗中4小時產(chǎn)生的?OH。（H）通過鄰苯二甲酸檢測CaF2、Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF2在超聲波輻照5分鐘產(chǎn)生的?OH。（I）Zn(OH)F/CaF2在有無超聲波和H2O2處理下的?OH的ESR光譜

（3）理論計算部分

通過密度泛函理論（DFT）計算，科研人員優(yōu)化了Zn(OH)F、CaF?及其異質(zhì)結(jié)Zn(OH)F/CaF?的結(jié)構(gòu)（圖3A?C）。結(jié)果顯示電子在異質(zhì)結(jié)界面處發(fā)生轉(zhuǎn)移，電子從CaF?轉(zhuǎn)移到Zn(OH)F（圖3D）。態(tài)密度計算表明Zn(OH)F/CaF?的帶隙為2.46 eV，接近紫外測量值2.66 eV（圖3E）。圖3F顯示CaF?和Zn(OH)F/CaF?與H?O?反應(yīng)的過程，表明表面優(yōu)化可實現(xiàn)與H?O?的有效反應(yīng)。圖3G顯示H?O?分解為*2OH是速控步驟，CaF?的能壘為1.93 eV，Zn(OH)F/CaF?的能壘為1.84 eV，?OH脫附后整體能壘降低，促進羥基自由基形成。Zn(OH)F/CaF?異質(zhì)結(jié)界面延緩電荷載流子復(fù)合，增加自由基形成概率，增強催化性能。異質(zhì)結(jié)形成后，Zn(OH)F的功函數(shù)大于CaF?，超聲空化作用下電子從Zn(OH)F轉(zhuǎn)移到CaF?（圖3H），CaF?獲得電子后與H?O?反應(yīng)產(chǎn)生大量?OH，Zn(OH)F與O?反應(yīng)生成?O??/1O?，顯著增強聲催化活性。

圖3 Zn(OH)F/CaF2增強ROS的機制。（A）Zn(OH)F的模型。（B）CaF2的模型。（C）Zn(OH)F/CaF2的模型。（D）Zn(OH)F/CaF2的差分電荷密度。（E）Zn(OH)F/CaF2的態(tài)密度。（F）CaF2和Zn(OH)F/CaF2與H2O2反應(yīng)的不同模型初始、過渡和最終狀態(tài)的表面配置。（G）模擬CaF2和Zn(OH)F/CaF2與H2O2催化路徑的能量圖。（H）Zn(OH)F在與CaF2接觸前后的能帶圖

（4）抗菌性能檢測

科研人員采用平板計數(shù)法評估了材料對牙齦卟啉單胞菌（P. gingivalis）和金黃色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌活性。超聲波處理（US+，1.5 W/cm2，20分鐘）后，Zn(OH)F/CaF? + H?O?組對P. gingivalis的抗菌率為98.1025% ± 1.2360%，對S. aureus的抗菌率為99.8863% ± 0.2096%（圖4A、4B）。黑暗處理后，各組抗菌率無顯著差異，而超聲波處理后，Zn(OH)F/CaF? + H?O?組幾乎完全殺死了P. gingivalis和S. aureus。相比之下，CaF? + H?O?和Zn(OH)F + H?O?組抗菌效果較差。經(jīng)過20分鐘重新超聲波處理后，材料對P. gingivalis和S. aureus的抗菌率達到100%。Zn(OH)F/CaF?組抗菌率低于Zn(OH)F組，可能是因為Zn(OH)F產(chǎn)生的1O?多于Zn(OH)F/CaF?。

圖4 體外抗菌性能。（A）在超聲波輻照下（1.5 W/cm2，20分鐘）和黑暗中（US?）處理后，P. gingivalis在CaF2、Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF2處理后的平板。（B）不同樣品在超聲波輻照下20分鐘的P. gingivalis抗菌率。（C）不同樣品在超聲波輻照下20分鐘處理后的P. gingivalis活/死染色。比例尺為50 μm。（D）不同樣品在超聲波輻照下20分鐘處理后的P. gingivalis的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。比例尺為200 μm

（5）體外抗菌機制

通過UPS和UV分析確定材料電位，研究其與細菌氧化還原電位（BRP）的關(guān)系。細菌BRP范圍為?4.12 eV至?4.84 eV，Zn(OH)F/CaF?的氧化還原電位顯著低于BRP，電子可從細菌流向Zn(OH)F/CaF?（圖5A）。循環(huán)伏安曲線顯示，Zn(OH)F/CaF?的還原峰位于?0.474 eV，大于CaF?和Zn(OH)F，表明其還原反應(yīng)更易發(fā)生（圖5B）。DiBAC(3)探針檢測結(jié)果顯示，Zn(OH)F/CaF?的熒光強度顯著高于CaF?，與Zn(OH)F相當，且在H?O?存在時，Zn(OH)F/CaF? + H?O?的熒光強度顯著增強，表明膜電位變化（圖5C、D）。氧化應(yīng)激檢測顯示，Zn(OH)F/CaF? + H?O?組在P. gingivalis內(nèi)產(chǎn)生更多ROS（圖5E）。蛋白質(zhì)泄漏和膜通透性測試表明，Zn(OH)F/CaF? + H?O?組的蛋白質(zhì)泄漏最多，ONPG水解活性顯著提高（圖5F、G）。Zn(OH)F/CaF?通過接收ETC上的電子，破壞細菌穩(wěn)態(tài)，在超聲波刺激下產(chǎn)生氧化應(yīng)激，增加膜通透性并導(dǎo)致蛋白質(zhì)泄漏，實現(xiàn)高效殺菌。

圖5 體外抗菌機制。（A）CaF2、Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF2與細菌膜的能量級。紅色區(qū)域為生物氧化還原電位（從?4.12到?4.84 eV）。（B）CaF2 + EPS、Zn(OH)F + EPS和Zn(OH)F/CaF2 + EPS的循環(huán)伏安圖。（C）黑暗中30分鐘不同組的膜電位平均熒光強度。（D）不同組的膜電位熒光圖像。（E）不同樣品處理的P. gingivalis的膜通透性。（F）不同樣品處理的P. gingivalis的蛋白質(zhì)泄漏。（G）不同樣品處理的P. gingivalis的細胞內(nèi)ROS測定

（6）體外細胞實驗

Zn2?和Ca2?在組織修復(fù)和成骨中重要。MTT實驗顯示，第1天牙齦成纖維細胞（GF）和成骨細胞（MC3T3-E1）與Zn(OH)F/CaF?共培養(yǎng)的細胞活力分別為86.15% ± 16.85%和84.56% ± 21.17%，可能因Zn2?快速釋放導(dǎo)致活性低（圖6A、B）。第3天，GF和MC3T3-E1的細胞活力分別達到90.87% ± 7.23%和92.19% ± 2.83%。熒光染色實驗顯示，Zn(OH)F/CaF?組的GF數(shù)量略低于對照組，但細胞輪廓清晰，呈扁平結(jié)構(gòu)，細胞核清晰可見（圖6C、D）。MC3T3-E1細胞呈清晰的三角形結(jié)構(gòu)，足突延伸完整。ALP活性實驗表明，Zn(OH)F/CaF?在初始階段活性最高，但在第14天下降（圖6E）。溶血實驗以超純水和生理鹽水為對照。基因表達分析顯示，GF與Zn(OH)F/CaF?共培養(yǎng)3天后，COL-1和Fn1基因表達上調(diào)（圖6F、G），這些基因與細胞外基質(zhì)相關(guān)，可調(diào)節(jié)炎癥并促進細胞增殖和修復(fù)。MC3T3-E1細胞與Zn(OH)F/CaF?處理3天后，ALP、Runx2和OCN基因表達上調(diào)（圖6H?J），表明Zn(OH)F/CaF?對細胞成骨和組織修復(fù)基因有刺激作用。

圖6 體外細胞實驗。（A）與CaF2、Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF2（50 ppm）共培養(yǎng)1天和3天后，GF的MTT實驗測定的細胞活力。（B）與CaF2、Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF2（50 ppm）共培養(yǎng)1天和3天后，MC3T3-E1的MTT實驗測定的細胞活力。（C）與材料共培養(yǎng)后GF的熒光染色圖像。比例尺為50 μm。（D）與材料共培養(yǎng)后MC3T3-E1的熒光染色圖像。比例尺為50 μm。（E）與CaF2、Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF2（50 ppm）共培養(yǎng)3、7和14天后MC3T3-E1的堿性磷酸酶（ALP）活性。（F）與CaF2、Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF2（50 ppm）共培養(yǎng)2天后GF的血管生成基因COL-1和Fn1的表達。（G-J）與CaF2、Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF2（50 ppm）共培養(yǎng)3天后MC3T3-E1的成骨基因OCN、ALP和Runx2的表達

（7）建立牙周炎模型

科研人員建立了牙周炎模型（圖7A），用浸泡了牙齦卟啉單胞菌（P. gingivalis）的5-0絲線處理第二磨牙（圖7B），隨后涂抹含有PEG-400和PEG-4000的軟膏并進行超聲波治療（圖7C、D）。蘇木精-伊紅（H&E）染色顯示，對照組炎癥細胞顯著存在，而Zn(OH)F/CaF?組炎癥細胞顯著減少，優(yōu)于廣譜抗生素Periocline組（圖7E）。免疫熒光組織化學(xué)分析顯示，對照組TNF-α表達顯著升高，而Zn(OH)F/CaF?組TNF-α表達較低（圖8A），表明促炎因子減少。血液常規(guī)分析顯示，Zn(OH)F/CaF?組白細胞、淋巴細胞和中性粒細胞計數(shù)低于其他組（圖8B?D），炎癥反應(yīng)減弱。微型計算機斷層掃描（micro-CT）顯示，Zn(OH)F/CaF?組牙槽骨丟失最少（圖8E）。抗酸磷酸酶（TRAP）染色顯示，Zn(OH)F/CaF?組破骨細胞顯著減少（圖8F），表明治療有效防止了骨組織降解。

圖7 牙周炎模型的建立。（A）牙周炎模型的治療流程圖。（B）可注射軟膏的示意圖。（C）使用5-0絲線綁定的方法建立模型。（D）牙周炎治療的視覺表現(xiàn)。（E）感染牙齦組織的H&E染色

圖8 牙周炎模型測試。（A）巨噬細胞中TNF-α的免疫組化染色。（B-D）第7天血液常規(guī)中WBC、淋巴細胞和中性粒細胞的數(shù)量。（E）牙槽骨吸收的微型CT圖像。（F）牙槽骨周圍破骨細胞的TRAP染色