K8·凯发(中国)

针对上述问题，北京大学吴水林和湖北大学刘湘梅教授团队提出了一种创新的解决方案，顺利获得构建Zn(OH)F/CaF2异质结，实现了声动力治疗（SDT）与骨再生的协同效应。该异质结利用CaF2和Zn(OH)F之间的界面工程，显著降低了带隙，加速了电子转移，从而在超声波的刺激下高效产生活性氧（ROS），有效杀灭牙周炎相关的病原菌。同时，Zn(OH)F/CaF2异质结还能促进成骨相关基因的表达，加速牙周组织的修复和骨再生。该研究不仅给予了一种快速、高效、非侵入性的牙周炎治疗方法，还为抗菌和骨修复材料的设计给予了新的思路。该文章于2025年3月28日以《Interfacial Engineering Enhancing Electron Transfer of CaF2 Nanoparticles for Periodontitis Treatment of Sonotherapy and Bone Resorption》为题发表于《ACS Nano》（DOI：10.1021/acsnano.5c01112）。

研究示意图

（1）形貌和结构表征

科研人员顺利获得水热法合成了Zn(OH)F/CaF2纳米材料。由于CaF2含量较低，其特征峰并不明显。顺利获得高分辨率透射电子显微镜（图1A）进一步观察了材料的微观结构。高分辨率图像清晰显示了CaF2的0.185 nm（220）晶面和0.245 nm（200）晶面，以及属于Zn(OH)F的0.273 nm（310）晶面和0.365 nm（210）晶面。此外，更高分辨率的放大图像显示了Zn(OH)F（110）晶面和CaF2（111）晶面之间形成的弯曲界面（图1B）。能量色散X射线光谱（EDX）的元素分布图显示了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（图1C）。F离子和H离子之间存在共价键（Zn(OH)F/CaF2），这可能有助于异质结的形成（图1D）。此外，Zn(OH)F/CaF2组中O、F、Zn和Ca的光谱向更低的能量水平移动，这可能归因于CaF2和Zn(OH)F之间的界面。

图1 Zn(OH)F/CaF2的特性。（A）Zn(OH)F/CaF2的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像。（B）Zn(OH)F/CaF2的放大HRTEM图像。（C）Zn(OH)F/CaF2的元素分布图。（D）Zn(OH)F/CaF2的晶体结构

（2）声催化性能表征

科研人员顺利获得电化学工作站测量了涂覆在导电玻璃片上的CaF₂、Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF₂溶液（含萘酚）的声电流和阻抗。结果显示，Zn(OH)F/CaF₂的声电流在超声波作用下可达0.06 µA·cm⁻²，显著高于CaF₂和Zn(OH)F（图2A）。Zn(OH)F/CaF₂的阻抗最小（图2B），且声电流在五次开关周期后保持稳定，表明其电子转移效率最高、速率最快。CaF₂和Zn(OH)F形成异质结后，带隙降低至2.66 eV，催化能力提升（图2C）。超声波刺激下，Zn(OH)F/CaF₂产生ROS并加速H₂O₂生成反应。电子自旋共振光谱（ESR）检测显示，CaF₂仅产生有限的羟基自由基（•OH），而Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF₂产生所有三种类型的ROS（图2D−F）。邻苯二甲酸检测表明，Zn(OH)F/CaF₂与H₂O₂联合后产生的•OH显著多于单独的Zn(OH)F或CaF₂（图2G）。超声波处理后，Zn(OH)F/CaF₂产生的•OH显著多于CaF₂和Zn(OH)F，且超声波显著提高了Zn(OH)F/CaF₂与H₂O₂的反应速率（图2H−I）。

图2 Zn(OH)F/CaF2在超声波作用下产生活性氧（ROS）和声催化性能。（A）在超声波辐照下（1.5 W/cm²），CaF2、Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF2的声电流。（B）CaF2、Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF2的电化学阻抗谱。（C）CaF2、Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF2的紫外-可见-近红外光谱对应的Kubelka-Munk函数图。（D-F）在超声波辐照下，CaF2、Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF2的•O2−、1O2和•OH的电子自旋共振（ESR）光谱。（G）顺利获得邻苯二甲酸检测CaF2、Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF2在黑暗中4小时产生的•OH。（H）顺利获得邻苯二甲酸检测CaF2、Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF2在超声波辐照5分钟产生的•OH。（I）Zn(OH)F/CaF2在有无超声波和H2O2处理下的•OH的ESR光谱

（3）理论计算部分

顺利获得密度泛函理论（DFT）计算，科研人员优化了Zn(OH)F、CaF₂及其异质结Zn(OH)F/CaF₂的结构（图3A−C）。结果显示电子在异质结界面处发生转移，电子从CaF₂转移到Zn(OH)F（图3D）。态密度计算表明Zn(OH)F/CaF₂的带隙为2.46 eV，接近紫外测量值2.66 eV（图3E）。图3F显示CaF₂和Zn(OH)F/CaF₂与H₂O₂反应的过程，表明表面优化可实现与H₂O₂的有效反应。图3G显示H₂O₂分解为*2OH是速控步骤，CaF₂的能垒为1.93 eV，Zn(OH)F/CaF₂的能垒为1.84 eV，•OH脱附后整体能垒降低，促进羟基自由基形成。Zn(OH)F/CaF₂异质结界面延缓电荷载流子复合，增加自由基形成概率，增强催化性能。异质结形成后，Zn(OH)F的功函数大于CaF₂，超声空化作用下电子从Zn(OH)F转移到CaF₂（图3H），CaF₂取得电子后与H₂O₂反应产生大量•OH，Zn(OH)F与O₂反应生成•O₂⁻/¹O₂，显著增强声催化活性。

图3 Zn(OH)F/CaF2增强ROS的机制。（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的差分电荷密度。（E）Zn(OH)F/CaF2的态密度。（F）CaF2和Zn(OH)F/CaF2与H2O2反应的不同模型初始、过渡和最终状态的表面配置。（G）模拟CaF2和Zn(OH)F/CaF2与H2O2催化路径的能量图。（H）Zn(OH)F在与CaF2接触前后的能带图

（4）抗菌性能检测

科研人员采用平板计数法评估了材料对牙龈卟啉单胞菌（P. gingivalis）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌活性。超声波处理（US+，1.5 W/cm²，20分钟）后，Zn(OH)F/CaF₂ + H₂O₂组对P. gingivalis的抗菌率为98.1025% ± 1.2360%，对S. aureus的抗菌率为99.8863% ± 0.2096%（图4A、4B）。黑暗处理后，各组抗菌率无显著差异，而超声波处理后，Zn(OH)F/CaF₂ + H₂O₂组几乎完全杀死了P. gingivalis和S. aureus。相比之下，CaF₂ + H₂O₂和Zn(OH)F + H₂O₂组抗菌效果较差。经过20分钟重新超声波处理后，材料对P. gingivalis和S. aureus的抗菌率达到100%。Zn(OH)F/CaF₂组抗菌率低于Zn(OH)F组，可能是因为Zn(OH)F产生的¹O₂多于Zn(OH)F/CaF₂。

图4 体外抗菌性能。（A）在超声波辐照下（1.5 W/cm²，20分钟）和黑暗中（US−）处理后，P. gingivalis在CaF2、Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF2处理后的平板。（B）不同样品在超声波辐照下20分钟的P. gingivalis抗菌率。（C）不同样品在超声波辐照下20分钟处理后的P. gingivalis活/死染色。比例尺为50 μm。（D）不同样品在超声波辐照下20分钟处理后的P. gingivalis的扫描电子显微镜（SEM）图像。比例尺为200 μm

（5）体外抗菌机制

顺利获得UPS和UV分析确定材料电位，研究其与细菌氧化还原电位（BRP）的关系。细菌BRP范围为−4.12 eV至−4.84 eV，Zn(OH)F/CaF₂的氧化还原电位显著低于BRP，电子可从细菌流向Zn(OH)F/CaF₂（图5A）。循环伏安曲线显示，Zn(OH)F/CaF₂的还原峰位于−0.474 eV，大于CaF₂和Zn(OH)F，表明其还原反应更易发生（图5B）。DiBAC(3)探针检测结果显示，Zn(OH)F/CaF₂的荧光强度显著高于CaF₂，与Zn(OH)F相当，且在H₂O₂存在时，Zn(OH)F/CaF₂ + H₂O₂的荧光强度显著增强，表明膜电位变化（图5C、D）。氧化应激检测显示，Zn(OH)F/CaF₂ + H₂O₂组在P. gingivalis内产生更多ROS（图5E）。蛋白质泄漏和膜通透性测试表明，Zn(OH)F/CaF₂ + H₂O₂组的蛋白质泄漏最多，ONPG水解活性显著提高（图5F、G）。Zn(OH)F/CaF₂顺利获得接收ETC上的电子，破坏细菌稳态，在超声波刺激下产生氧化应激，增加膜通透性并导致蛋白质泄漏，实现高效杀菌。

图5 体外抗菌机制。（A）CaF2、Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF2与细菌膜的能量级。红色区域为生物氧化还原电位（从−4.12到−4.84 eV）。（B）CaF2 + EPS、Zn(OH)F + EPS和Zn(OH)F/CaF2 + EPS的循环伏安图。（C）黑暗中30分钟不同组的膜电位平均荧光强度。（D）不同组的膜电位荧光图像。（E）不同样品处理的P. gingivalis的膜通透性。（F）不同样品处理的P. gingivalis的蛋白质泄漏。（G）不同样品处理的P. gingivalis的细胞内ROS测定

（6）体外细胞实验

Zn²⁺和Ca²⁺在组织修复和成骨中重要。MTT实验显示，第1天牙龈成纤维细胞（GF）和成骨细胞（MC3T3-E1）与Zn(OH)F/CaF₂共培养的细胞活力分别为86.15% ± 16.85%和84.56% ± 21.17%，可能因Zn²⁺快速释放导致活性低（图6A、B）。第3天，GF和MC3T3-E1的细胞活力分别达到90.87% ± 7.23%和92.19% ± 2.83%。荧光染色实验显示，Zn(OH)F/CaF₂组的GF数量略低于对照组，但细胞轮廓清晰，呈扁平结构，细胞核清晰可见（图6C、D）。MC3T3-E1细胞呈清晰的三角形结构，足突延伸完整。ALP活性实验表明，Zn(OH)F/CaF₂在初始阶段活性最高，但在第14天下降（图6E）。溶血实验以超纯水和生理盐水为对照。基因表达分析显示，GF与Zn(OH)F/CaF₂共培养3天后，COL-1和Fn1基因表达上调（图6F、G），这些基因与细胞外基质相关，可调节炎症并促进细胞增殖和修复。MC3T3-E1细胞与Zn(OH)F/CaF₂处理3天后，ALP、Runx2和OCN基因表达上调（图6H−J），表明Zn(OH)F/CaF₂对细胞成骨和组织修复基因有刺激作用。

图6 体外细胞实验。（A）与CaF2、Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF2（50 ppm）共培养1天和3天后，GF的MTT实验测定的细胞活力。（B）与CaF2、Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF2（50 ppm）共培养1天和3天后，MC3T3-E1的MTT实验测定的细胞活力。（C）与材料共培养后GF的荧光染色图像。比例尺为50 μm。（D）与材料共培养后MC3T3-E1的荧光染色图像。比例尺为50 μm。（E）与CaF2、Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF2（50 ppm）共培养3、7和14天后MC3T3-E1的碱性磷酸酶（ALP）活性。（F）与CaF2、Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF2（50 ppm）共培养2天后GF的血管生成基因COL-1和Fn1的表达。（G-J）与CaF2、Zn(OH)F和Zn(OH)F/CaF2（50 ppm）共培养3天后MC3T3-E1的成骨基因OCN、ALP和Runx2的表达

（7）建立牙周炎模型

科研人员建立了牙周炎模型（图7A），用浸泡了牙龈卟啉单胞菌（P. gingivalis）的5-0丝线处理第二磨牙（图7B），随后涂抹含有PEG-400和PEG-4000的软膏并进行超声波治疗（图7C、D）。苏木精-伊红（H&E）染色显示，对照组炎症细胞显著存在，而Zn(OH)F/CaF₂组炎症细胞显著减少，优于广谱抗生素Periocline组（图7E）。免疫荧光组织化学分析显示，对照组TNF-α表达显著升高，而Zn(OH)F/CaF₂组TNF-α表达较低（图8A），表明促炎因子减少。血液常规分析显示，Zn(OH)F/CaF₂组白细胞、淋巴细胞和中性粒细胞计数低于其他组（图8B−D），炎症反应减弱。微型计算机断层扫描（micro-CT）显示，Zn(OH)F/CaF₂组牙槽骨丢失最少（图8E）。抗酸磷酸酶（TRAP）染色显示，Zn(OH)F/CaF₂组破骨细胞显著减少（图8F），表明治疗有效防止了骨组织降解。

图7 牙周炎模型的建立。（A）牙周炎模型的治疗流程图。（B）可注射软膏的示意图。（C）使用5-0丝线绑定的方法建立模型。（D）牙周炎治疗的视觉表现。（E）感染牙龈组织的H&E染色

图8 牙周炎模型测试。（A）巨噬细胞中TNF-α的免疫组化染色。（B-D）第7天血液常规中WBC、淋巴细胞和中性粒细胞的数量。（E）牙槽骨吸收的微型CT图像。（F）牙槽骨周围破骨细胞的TRAP染色