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背景介绍

足部感染是糖尿病足溃疡的常见并发症，不仅严重影响患者行走能力，还可能引发感染扩散甚至截肢，对患者生活质量构成巨大威胁。传统治疗如抗生素、局部用药和手术干预虽能缓解症状，但疗程长、患者依从性差，且抗生素滥用可能导致耐药性。现有治疗技术往往难以在疗效和便利性之间取得平衡。压电材料可在机械应力下产生电偶极矩，分离正负电荷，驱动电化学反应产生活性氧，实现高效杀菌。若将压电材料附着于智能纺织纤维表面，利用患者日常行走时的机械压力，智能纺织物即可自发产生载流子并诱导ROS生成，实现持续抗菌效果。然而，传统负载方法（如浸渍、沉淀）缺乏精确控制ZnO在BaTiO₃表面分布和负载量的能力，限制了异质结能带结构的精准调控，阻碍了ROS生成效率的进一步提升。

研究思路

针对上述挑战，山西医科大学的闫丽丽教授、杜江锋教授，天津大学的姬晓元教授以及浙江大学Liu Huimin教授团队通过原子层沉积技术在BaTiO₃上精确调控ZnO沉积循环数（5、10、15、20次），构建BaTiO₃/ZnO压电异质结。经系统优化，10次ALD循环的BaTiO₃-10ZnO异质结展现出最优的能带排列，ROS生成效率较纯BaTiO₃提升2.95倍。通过胺-醛缩合反应将复合材料共价固定于棉织物纤维，获得智能纺织平台。在SD大鼠足底感染模型中，由行走触发的机械压力激活该敷料，实现了最佳治疗效果，优于其他ALD循环变体和商用Ag⁺敷料。系统组织学和转录组学分析揭示了其多管齐下的抗菌机制，包括细菌膜破坏、代谢干扰和氧化应激诱导。相关内容以Self-Powered Smart Textiles for Accelerated Wound Healing through Band Alignment in Piezoelectric Heterojunctions发表在ACS Nano！

图片解析

图1. 研究整体示意图： (A) ALD制备BTO-xZn的流程。(B) 通过胺-醛反应制备BTO-10Zn/CF。(C) 自供电智能纺织物的作用机制：行走压力驱动压电异质结产生ROS，杀菌并促进组织再生。

图2. BTO-xZn纳米复合物的结构表征： (a) TEM：BTO-10Zn显示ZnO均匀包覆。(b-c) HRTEM及EDX元素分布：Ba、Ti、O、Zn均匀分布。(d) DLS粒径分布。(e) 表面电位变化。(f) XRD：BTO-10Zn保留BTO特征峰，出现ZnO峰。(g) FTIR。(h) 不同煅烧温度下BTO压电性能对比。(i) EPR显示氧空位浓度。(j) ALD沉积ZnO示意图。(k) 不同ALD循环数下DPBF氧化速率：BTO-10Zn最优，为BTO的2.95倍。(l) TPD定量分析催化活性位点：BTO-10Zn为BTO的2.018倍。(m-o) ESR谱：DMPO-OH（1:2:2:1）、DMPO-O₂⁻（1:1:1:1）、TEMP-¹O₂（1:1:1），证实三种ROS生成。

图3. BTO和BTO-10Zn的压电与电子性质： (a-c) PFM：振幅蝴蝶曲线、相位滞后环及180°相位翻转，证实铁电性。(d) EIS Nyquist图：BTO-10Zn电荷转移电阻最小。(e) UV-vis吸收光谱。(f) Tauc plot计算带隙。(g) UPS二次电子截止边。(h) 催化活性带隙对比。(i) BTO/ZnO异质结能带结构示意图（Type II）。(j-k) XPS：Zn 2p和Ba 3d结合能随ALD循环数变化，表明界面相互作用。(l) BTO-10Zn压电催化ROS生成机制。

图4. BTO和BTO-10Zn的细胞相容性与增殖效果： (a) 细胞活力评估示意图。(b) HUVECs 24 h存活率>90%。(c-d) 24 h和96 h增殖动力学：BTO-10Zn促进增殖。(e) 细胞培养形态定量。(f-g) 细胞克隆形成实验：BTO-10Zn组克隆数更多。(h-j) 划痕愈合实验：BTO-10Zn组迁移率显著提高。

图5. BTO-10Zn纳米复合物及BTO-10Zn/CF智能纺织物的抗菌评价： (a-b) Live/Dead染色及定量：BTO-10Zn+US组红色（死菌）占主导。(c-d) 菌落形成及计数：BTO-10Zn+US组无可见菌落。(e-f) 结晶紫染色生物膜及破坏效率：BTO-10Zn+US组几乎完全清除生物膜。(g) 处理后存活率。(h) SYTO-9/PI双染。(i) SEM：BTO-10Zn+US组细菌膜塌陷、内容物泄漏。(j) BTO-10Zn/CF的SEM。(k) 搅拌和折叠模拟实验示意图。(l) 动态搅拌条件下抗菌效率。(m) 重复折叠条件下抗菌效率（4000次折叠后仍完全杀菌）。

图6. 小鼠伤口愈合评价： (a) 实验治疗方案示意图。(b) 治疗过程示意图。(c) 伤口治疗代表性照片。(d) 视觉记录。(e) 第4天伤口细菌培养。(f) 伤口面积定量变化：BTO-10Zn/CF+US组第14天完全愈合。(g) 细菌负荷统计。(h) H&E染色。(i) VEGF染色。(j) α-SMA染色。(k) 毛囊再生定量：2.27倍增加。(l) 新生血管定量：2.05倍VEGF阳性血管。(m) 肌成纤维细胞增殖定量：4.24倍α-SMA表达。

图7. 大鼠足底压力激活伤口愈合评价： (a) 治疗方案示意图。(b) 伤口治疗代表性照片：BTO-10Zn/CF组第10天愈合>90%。(c) 第3天伤口细菌培养：BTO-10Zn/CF组菌落最少。(d) 视觉记录。(e) 伤口面积定量。(f) 细菌负荷统计。(g) H&E染色：BTO-10Zn/CF组表皮分层完整，新生血管多（黄色箭头），炎症浸润少（蓝色箭头）。

图8. BTO-xZn/CF增强胶原沉积与血管生成： (a) Masson三色染色：BTO-10Zn/CF组胶原沉积最多。(b) CD31免疫组化：BTO-10Zn/CF组阳性血管最多。(c) VEGF免疫组化：BTO-10Zn/CF组表达最强。(d) TNF-α染色：BTO-10Zn/CF组炎症因子最低。(e) MPO染色：BTO-10Zn/CF组炎症细胞浸润最少。(f) Giemsa染色：BTO-10Zn/CF组MRSA菌落最少。(g-l) 各指标的定量分析。

图9. BTO-10Zn处理细胞的转录组学分析： (a) 火山图：883个差异表达基因（771上调，112下调）。(b) DEGs热图。(c) GO富集散点图。(d) GO富集分析：转运、化学响应、氧化还原过程显著改变。(e-f) KEGG富集：嘌呤代谢、嘧啶代谢、丙酮酸代谢、氨基酸生物合成、壁酸生物合成等通路显著改变。(g) 体外杀菌机制示意图：ROS破坏膜完整性、抑制代谢通路和生物合成。

图10. BTO-10Zn/CF的可穿戴性能表征： (a) 应力-应变曲线：机械性能保持良好。(b) 吸水率：与纯CF相当。(c) 手感性能雷达图（弯曲刚度、柔软度、表面光滑度、悬垂性、折皱回复率）：与纯CF无显著差异。(d) 透气性。(e) 透湿性。(f) BTO-10Zn/CF实物照片及裁剪成形能力。

结论

本研究通过ALD技术实现了原子精度的压电异质结构建。10次ALD循环的ZnO沉积实现了最优的能带排列和压电性能，ROS产量较纯BTO提升2.95倍。通过胺-醛共价偶联将纳米复合物固定于纺织基底，获得的智能敷料在足底感染模型中由自然行走压力激活，展现出卓越的治疗效果。机制上，BTO-10Zn通过压电效应产生ROS，破坏细菌细胞膜完整性、干扰代谢通路和生物合成，同时促进胶原沉积、血管新生和上皮化，并有效调节炎症微环境。该智能纺织物在吸水率、透气性、透湿性和手感等可穿戴性能方面与纯棉织物相当，且经过多次洗涤后抗菌率仍保持在98%以上。该精确界面设计为自供电医疗设备建立了新范式，为慢性伤口管理提供了连接先进材料开发与临床应用的创新解决方案。

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