Microenvironment-responsive electrocution of tumor and bacteria by implants modified with degenerate semiconductor film

用退化半導體薄膜修改的植入物，對腫瘤和細菌進行微環境響應性電擊

來源：Bioactive Materials 20 (2023) 472–488

 

摘要核心內容：

1.研究開發了一種基于鎳鈦層狀雙氫氧化物（Ni-Ti LDH）薄膜修飾的植入物，通過電化學充電使其轉變為退化半導體狀態（空穴富集狀態）。

2.該薄膜在生理環境中能根據微環境pH差異智能釋放空穴：腫瘤/細菌感染部位的低pH環境加速空穴釋放，通過氧化應激殺傷癌細胞和細菌；正常組織的中性pH下空穴釋放緩慢，減少對健康細胞的損傷。

3.退化狀態與非退化狀態可通過電化學充放電循環切換，賦予植入物動態調控能力。

 

研究目的：

解決植入物周圍腫瘤殘留導致的復發問題，以及術后放化療的全身毒性問題。通過開發局部化、微環境響應的電療策略，實現靶向殺傷腫瘤細胞和細菌，同時減少對正常組織的損傷。

 

研究思路：

1.材料制備：在鎳鈦合金表面水熱合成Ni-Ti LDH薄膜，通過電化學充電調控其半導體狀態。

2.表征退化機制：結合XANES/XAFS、理論計算、電化學測試證實充電形成鎳空位導致退化半導體特性（高電導率、空穴富集）。

3.驗證pH響應性：OCP/EIS測試顯示H?加速空穴釋放；Unisense溶解氧電極證實酸性條件下氧產量更高，驗證空穴反應活性。

4.生物功能驗證：

1.體外：退化薄膜在低pH下選擇性殺傷腫瘤細胞和細菌，但對正常細胞毒性低。

2.體內：退化薄膜顯著抑制腫瘤生長并減少細菌感染。

5.可循環性：充放電循環可逆切換薄膜狀態，維持長期功能。

 

測量數據及研究意義：

1.電導率數據（圖4b）：I-V曲線顯示退化薄膜（LDH(3 mA)）電導率提升4個數量級。意義：證實退化態高導電性，為電療提供物理基礎。

2.空穴釋放動力學（圖6a,g）：OCP測試顯示退化薄膜在pH=4時電位下降速率比pH=8快10倍。意義：揭示H?濃度調控空穴釋放速率，實現微環境響應性。

3.溶解氧數據（圖6i）：丹麥Unisense電極測量顯示LDH(3 mA)在pH=4時產氧量是pH=8的3倍。意義：直接證明空穴通過氧化反應（2O_O + 2h? → O?↑ + V_O??）消耗晶格氧，產生強氧化環境。

4.細胞凋亡基因（圖7c）：Caspase-3/Bcl-2比值在腫瘤細胞中升高4-6倍。意義：證實空穴通過ROS線粒體通路誘導凋亡。

 

5.體內腫瘤體積（圖8b）：LDH(3 mA)組腫瘤體積較對照組減少90%。意義：驗證植入物局部電療的抑瘤效果。

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀：

 

使用Unisense溶解氧微電極（圖6i）定量了退化薄膜在不同pH溶液中的氧產量。數據顯示：

·pH=4時氧產量最高，因高H?濃度促進空穴快速釋放，觸發反應：2O_O（晶格氧）+ 2h?（空穴）→ O?↑ + V_O??（氧空位）。

·pH=8時氧產量最低，因低H?濃度使空穴釋放緩慢，反應受抑制。

研究意義：

1. 直接證實空穴的強氧化性，通過消耗晶格氧產生活性氧（ROS），為"電擊"殺傷提供化學機制。

 

2.氧空位（V_O??）形成解釋薄膜超親水性（圖5g）：空位吸附水分子形成表面羥基，增強生物界面相互作用。

3.建立pH-氧產量定量關系，為微環境響應性提供關鍵實驗證據。

 

結論：

1.退化LDH薄膜通過H?響應性空穴釋放，實現腫瘤/細菌的選擇性"電擊"殺傷，正常組織損傷小。

2.空穴釋放的pH依賴性源于H?在LDH晶格中的高遷移率（圖6j），加速電荷中和。

 

 

3.充放電循環可逆切換薄膜狀態（圖9），為植入物提供動態調控能力。