摘要：光动力和光热疗法在治疗种植体相关感染方面具有重要应用潜力，然而，单一治疗的疗效往往不足。通过二者联合使用可大幅度提高治疗效果。本文探索了共掺杂金红石 TiO2 巨介电材料在光动力和光热联合治疗细菌感染方面的应用潜力。首先利用固相法分别制备了（In3+, Nb5+）和（Al3+, Nb5+）共掺杂的金红石TiO2陶瓷（AlNbTiO2和InNbTiO2）。与纯TiO2相比，施主受主离子共掺杂引起了大量氧空位以及缺陷偶极子团簇的生成，增强了金红石TiO2对可见光/近红外（NIR）光的吸收，赋予其优异的光催化和光热性能。体外实验表明，AlNbTiO2和InNbTiO2陶瓷在近红外光（808 nm，0.95 W cm-2）下照射10 min对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有良好的抗菌作用，同时具有良好的细胞相容性。共掺杂金红石TiO2巨介电陶瓷在植入体表面改性上具有潜在的应用前景。

关键词：抗菌；光热；光催化；TiO2陶瓷；生物相容性

体内植入材料在硬组织损伤修复方面的作用日益突出。但随着植入材料使用的快速增长，和植入材料相关的细菌性感染逐年增加，植入体细菌感染已成为临床上亟待解决的问题。抗生素是治疗细菌感染的首选方法，但抗生素滥用会导致细菌耐药性，使得细菌感染难于彻底根治。因此，有必要开发无细菌耐药性的非抗生素的治疗策略。近年来，光热和光动力治疗（PTT和PDT）因具有微创性、治疗时间短、耐药几率小、对包括耐药菌株在内的各种致病病原体具有广谱杀灭能力等优点，受到了广泛的关注。PTT利用光产生的热量破坏细菌的细胞膜和使细菌蛋白质变性来诱导细菌死亡。PDT利用光敏剂产生活性氧自由基（ROS）来杀死细菌。然而，在大多数情况下，单一PTT或PDT的治疗效果无法达到预期，而PTT/PDT联合治疗能够实现高效的抗菌治疗效果。此外，联合治疗可以降低PDT杀菌所需ROS的量和PTT杀菌所需的温度，减少单一治疗对骨形成相关细胞的副作用。

近年来，以(In0.5Nb0.5)xTi1-xO2 为代表的施主受主共掺杂金红石 TiO2 巨介电材料的发现以及电子钉扎缺陷团簇偶极子（EPDD）极化机制的提出引起了人们的广泛关注和研究热潮。大量的研究表明，元素共掺杂进入 TiO2 晶格会引起晶格畸变、产生缺陷等，局域化电子在缺陷团簇偶极子中的运动产生的EPDD极化、自由电子在缺陷间跃迁引起的极化子弛豫、以及晶粒晶界处或样品与电极接触处的界面极化对巨介电常数均有重要贡献。到目前为止，以共掺杂金红石TiO2陶瓷为主的研究多数集中在射频范围内，而材料内部丰富的缺陷结构也有可能影响其在近红外以及可见光范围内的响应，有待进一步探索。

近期，中科院深圳先进技术研究院王国成研究员和陕西师范大学吴雯雯副教授利用固相法分别将（In3+, Nb5+）和（Al3+, Nb5+）共掺杂到TiO2陶瓷中，制备了(In0.5Nb0.5)0.005Ti0.995O2 （InNbTiO2）和 (Al0.5Nb0.5)0.1Ti0.9O2（AlNbTiO2）陶瓷，研究了两种陶瓷在近红外光下的体外抗菌性能和生物相容性。相关结果发表在Advanced NanoBiomed Research上。该论文的第一作者为中科院深圳先进技术研究院的杨明刚助理研究员和张圆博士后。

在本研究工作中，作者首先对AlNbTiO2以及InNbTiO2陶瓷的形貌、物相和光吸收性能进行了表征，结果表明 (In, Nb)和(Al, Nb) 的掺杂并未影响TiO2陶瓷的晶体结构，但是显著提高了TiO2陶瓷在可见光区和近红外光区的光吸收。

Figure 1. (a) XRD patterns, (b) Raman spectra, and (c) UV-Vis-NIR spectra of the TiO2, InNbTiO2 and AlNbTiO2 ceramics.

随后，作者对AlNbTiO2和InNbTiO2陶瓷的光热和光催化性能进行了评估，在近红外光（808 nm，0.95W cm-2）下照射10 min后，AlNbTiO2和InNbTiO2陶瓷的表面温度从23.9 °C 分别升高到56.9 °C 和 55.7 °C，而TiO2陶瓷表面的温度仅为42.6 °C，这表明（In, Nb）和（Al, Nb）共掺杂显著提高了材料的光热性能；此外，光催化降解亚甲基蓝实验结果表明AlNbTiO2和InNbTiO2陶瓷在近红外光（808 nm，0.95W cm-2）下照射4 h后亚甲基蓝的降解率高达70%，表明（In, Nb）和（Al, Nb）共掺杂显著提高了材料的光催化能力。

Figure 2. (a) Temperature variation curves of the TiO2, InNbTiO2 and AlNbTiO2 samples exposed to NIR light for 0, 2, 4, 6, 8, and 10 min (0.95W cm-2); (b) Degradation rates of methylene blue on TiO2, InNbTiO2 and AlNbTiO2 exposed to NIR light for 0.5, 1, 2, 3, and 4 h (808 nm, 0.95W cm-2) and in darkness.

最后，作者研究了TiO2, InNbTiO2和 AlNbTiO2陶瓷对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌性能。研究结果表明AlNbTiO2和 InNbTiO2陶瓷在近红外光下照射10 min后对E. coli和S. aureus的抗菌率可达99.04 %/98.56 %和95.06 %/93.68 %，同时对小鼠前成骨细胞表现出良好的细胞相容性。基于这些研究结果，作者认为共掺杂金红石TiO2材料作为抗菌生物陶瓷在骨/牙科种植体方面具有潜在的应用前景，共掺杂元素引起的内部丰富缺陷结构在近红外光频率范围内的作用机制值得深入探讨。

Figure 3. The bacterial viability of E. coli and S. aureus (a), and the bacterial colonies images of E. coli (b) and S. aureus (c) on TiO2, InNbTiO2 and AlNbTiO2 samples re-culture for 24 h. The NIR light irradiation was performed for 10 min using a laser of 808 nm (0.95 W cm-2), and (d) the antibacterial rate of the samples calculated from (b) and (c). The experimental data was performed in triplicate (n=3). Data are presented as mean ± S.D. of three independent samples. ***p < 0.001 (one-way ANOVA with Tukey’s multiple comparison tests).

WILEY

论文信息：

Synergistic Photocatalytic and Photothermal Antibacterial Activity of (In, Nb) and (Al, Nb) Co-Doped TiO2 Ceramics

Minggang Yang#, Yuan Zhang#, Revathi Alexander, Jinqiu Liu, Wenwen Wu*, Guocheng Wang*

Advanced NanoBiomed Research

DOI: 10.1002/anbr.202200129

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