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  細菌感染是許多嚴重疾病最突出的根本原因之一。過去幾十年來，青霉素等傳統抗生素在取得巨大成就的同時，由于濫用抗生素，多藥耐藥（MDR）細菌的感染事件不斷增加。因此，人們迫切需要開發具有高抗菌活性，低毒性，強選擇性等特點的抗菌納米材料。目前絕大部分的抗菌策略均會無差別得清除各種細菌，造成對機體局部功能的損傷。在這一方面，科學家始終期望發展新型抗菌策略實現對非必需雜菌的選擇性殺傷，同時保留其它有益細菌的存活。

  光熱療法（PTT）由于可以將光能轉化為局部升高的溫度(≥50℃），并通過蛋白質變性導致細菌死亡而引起了越來越多的關注。苝二酰亞胺（PDI）衍生物具有高摩爾消光系數、優異的光穩定性和顯著的可見光響應。在還原性環境下，其能夠被還原為自由基陰離子，并表現出良好的光熱轉換能力。這種轉化也可用于兼性厭氧微生物而非需氧微生物的選擇性光熱抗菌治療。

  受此啟發，杭州師范大學劉俊秋教授團隊構筑了一種新型細菌出發的自由基納米放大器，用于對兼性厭氧微生物進行選擇性光熱治療（圖1）。通過無模板共價組裝策略，由PDI衍生物（DAPDI）和溴代柱[5]芳烴（LBP5）構建了分散良好的單層二維共價納米（P5PD）。為了實現高效的抗菌活性：（1）構建帶正電的二維P5PD納米片，以改善水分散性、膜滲透性以及產生PDI自由基陰離子；（2）用季銨修飾的甘露糖衍生物（Man-HQA）可以通過主客體絡合mP5PD改性為LBP5，以進一步改善生物相容性和與微生物的良好識別（圖2）。同時厭氧微生物如大腸桿菌（E.coli）的缺氧條件可以在原位將mP5PD納米片激發成自由基陰離子，這可以大大增強808nm激光照射下的光熱抗菌治療。相反，枯草芽孢桿菌（B.subtilis）等好氧微生物由于還原能力不足，不會誘導mP5PD自由基陰離子的形成。因此，這種二維mP5PD納米片對不同的微生物表現出選擇性的化學反應，可用于開發具有高細菌選擇性的優良光熱抗菌納米材料。

  mP5PD納米片的還原將犧牲它們的光動力效應，以實現自由基陰離子的光熱轉換。mP5PD與大腸桿菌之間的強結合有利于觸發選擇性光熱抗菌治療。mP5PD與大腸桿菌共孵育后，由細菌原位觸發的mP5PD納米片上自由基陰離子的生成，并通過紫外-可見光譜和電子順磁共振（EPR）光譜對其進行了表征。結果表明，由于兼性厭氧菌大腸桿菌具有很強的還原能力，mP5PD納米片上的PDI自由基陰離子可以被其成功觸發，而需氧菌枯草桿菌在相同條件下不可能觸發。在808nm激光照射下，mP5PD@E.coli在0.5 W/cm²激光照射30分鐘后，大腸桿菌溶液迅速升高至65.7℃，這可能導致大多數脂蛋白變性，并導致微生物死亡。

  通過菌落形成單位（CFU）值評估對大腸桿菌和枯草桿菌的定性抗菌活性。在大腸桿菌檢測中，發現當單獨NIR照射30分鐘或與mP5PD納米片共同孵育時，近95.6%和73.9%的大腸桿菌菌落仍然存活。然而，經過近紅外輻射mP5PD@E.coli，在相同條件下存活的大腸桿菌不超過1%。這些結果表明，mP5PD納米片在808nm激光照射下表現出非常優異的光熱抗菌活性。與上述結果相反，mP5PD納米片對好氧枯草桿菌菌落的抗菌能力存在很大差異。在相同條件下，NIR組（98.6%）、mP5PD組（89.6%）甚至其組合mP5PD+NIR組（86.8%）的枯草桿菌CFU值均未觀察到肉眼可見的差異（圖3）。所有這些數據表明，由于大腸桿菌的兼性厭氧特性，它們對大腸桿菌菌株具有高度選擇性的光熱抗菌能力。

  以上研究成果發表在Chemical Engineering Journal 2022, 444, 136620上（DOI: 10.1016/j.cej.2022.136620）（影響因子IF, 13.273），該工作第一作者為王潔瓊碩士，共同第一作者為李飛博士和徐政偉碩士。孫鴻程博士，于雙江教授和劉俊秋教授為論文通訊作者。