本文源自微信公众号 For Better Science

研究简介

隐形眼镜在近视患者屈光矫正中起着重要的作用，因其具有美观、携带方便、成本低廉等优点，全球每年约有1.4亿患者选择佩戴隐形眼镜代替框架眼镜。然而，长期佩戴隐形眼镜和不良的眼部习惯大大增加了细菌粘附在晶状体上的风险。与眼部游离的细菌相比，生物膜内的细菌对抗生素的耐药性更高，可抵御泪液中的溶菌酶杀菌作用，细菌的增殖会进一步导致感染性角膜炎。涂层改性已经成为提高隐形眼镜抗污性能和延长使用寿命的主要技术。但是，化学改性的过程比较繁琐，容易导致隐形眼镜的透明度下降；仿生改性涂层的制备工艺简单，透光率高，但很少具有杀菌、抗炎等生物功能。

近日，来自温州医科大学附属眼视光医院王佰亮教授团队开发了一种将碳化钒（V2C）MXene纳米片修饰在隐形眼镜（CL）表面的水转移印刷方法，使V2C MXene纳米片在气液界面上形成连续均匀且透光性良好的薄膜，再将薄膜转移至聚乙烯亚胺（PEI）修饰的隐形眼镜表面，两者依靠静电作用稳定结合，最终制成Mxene纳米酶涂层隐形眼镜（V2C@CL）,其表现出优异的抗细菌黏附作用。该工作设计的V2C@CL在保持高光学透明度的同时，在治疗感染性角膜炎中显示出杀菌和消炎的显著优势，为角膜组织提供更强大的保护（图1）。这一创新方法为预防和治疗角膜炎开辟了新思路。

相关成果以“A Water Transfer Printing Method for Contact Lenses Surface 2D MXene Modification to Resist Bacterial Infection and Inflammatory”为题于2024年4月10日发表在《Science Advances》上（IF = 13.6）。

图1. V2C@CL的制备和应用示意图

V2C@CL的制备和表征

该研究工作采用氢氟酸（HF）蚀刻法和四丙基氢氧化铵（TPAOH）插层法制备了V2C MXene纳米片（图2A）；V2C MXene 纳米片的透射电镜（TEM）图像显示出单层和二维片状结构（图2B）；选区电子衍射（SAED）图进一步揭示了V2C MXene纳米片的多晶结构（图2C）；x射线衍射光谱（XRD）得出V2C MXene纳米片的成功制备，几乎没有未反应的杂质残留（图2D）；高分辨率透射电镜（HRTEM）展现了V2C MXene纳米片的微晶格结构，晶格间距为0.24 nm（图2E）；V2C MXene纳米片的Zeta电位为-38 ± 20 mV，这是由于MXene表面存在=O和-OH官能团所致（图2F）；经过不同涂层处理隐形眼镜的扫描电镜（SEM）图像显示，与在CL表面修饰未HF蚀刻的V2AlC MAX相和未TPAOH插层的mV2C相比较，修饰一到三层V2C的CL（V2C-1@CL、V2C-2@CL和V2C-3@CL）表面呈现较好的平坦度（图2G）；紫外-可见吸收光谱证实了V2C@CL具有更高的透光率（图2H）；x射线光电子能谱（XPS）及其拟合分峰数据显示了V2C@CL表面元素的类型和价态（图2I-J)；SEM元素映射结果表明V2C和聚乙烯亚胺（PEI）均匀分布在CLs表面（图2K)。

图2. V2C MXene纳米片的制备及其和V2C@CL的表征

V2C@CL的仿生酶活性

该研究工作探索了V2C@CL的生物酶活性，其中，过氧化氢（H2O2）是活性氧（ROS）的主要成分，也是自由基组分进一步形成的底物。（图3A）V2C催化分解H2O2的产物为氧（O2）和水（H2O）；（图3B）超氧化物歧化酶（SOD）是细胞中对抗ROS的关键抗氧化酶，可催化ŸO2−歧化生成O2和H2O2，减轻氧化应激；（图3C）谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）在维持体内H2O2水平中也起着至关重要的作用

实验结果显示，V2C@CL拥有优异的CAT样、SOD样和GPx样活性（图3D-F），可以在感染和炎症发生时消除微环境中过表达的ROS。其中，V2C@CL表现出的强CAT样活性以时间依赖的模式产生O2，且随着V2C层数的增加，催化性能明显增强（图3G）。另外V2C@CL据有具有良好的抗氧化功能（图H），并显著减少了紫外线照射下ROS的生成（图I）。

图3. V2C@CL的仿生酶活性

V2C@CL的体外细胞相容性、抗氧化和抗炎特性

该研究工作通过活/死细胞染色法（图4A）和细胞计数试剂盒-8（CCK-8）法进行生物相容性检测。结果显示，不同类型的CLs样品均未表现出明显的细胞毒性（图4B），且具有好的细胞相容性。另外，V2C@CL的抗氧化功能能够有效降低过氧化氢刺激后人角膜上皮细胞（HCECs）中的ROS水平（图4C），以及使脂多糖（LPS）诱导的RAW 264.7细胞的炎症反应显著下降，拥有良好的抗炎功能（图4D-G）。

图4. V2C@CL的体外细胞相容性、抗氧化和抗炎特性。

V2C@CL的抗黏附、杀菌和抗生物膜性能

该研究工作的涂布平板结果显示，未修饰V2C的CL和mV2C@CL仅表现出有限的抗黏附作用，而V2C-1@CL、V2C-2@CL、V2C-3@CL对抗药性金黄色葡萄球菌（MRSA）的黏附率分别为8.98、1.81、0.9%，对大肠杆菌的黏附率分别为22.11、5.47、0.95%（图5A-B）；不同CLs与细菌孵育后的SEM结果和染色图像可以直观地显示出V2C-1@CL和V2C-2@CL表面只有少量细菌，而V2C-3@CL表面基本没有细菌粘附（图C-D）。因此，表面修饰不同层数V2C后的CLs均表现出优异的抗黏附效果。

图5. V2C@CL的抗黏附性能

同时，利用激光共聚焦荧光显微镜观察CLs表面的三维生物膜形态（图6A）和红绿荧光强度比（图6B-C）。结果显示，随着V2C层数的增加，抗黏附和杀菌效果增强，特别是V2C-3@CL基本完全抵抗了大肠杆菌生物膜的形成。另外，该文章研究了V2C@CL的杀菌机制，即V2C@CL主要破坏细菌的细胞膜等结构，并作用于某些代谢途径，在杀菌和抗黏附作用中发挥重要作用（图6D-H）。

图6. V2C@CL的抗生物膜特性及MRSA RNA测序分析

V2C@CL的体内生物相容性及抗菌活性评价

该研究工作的动物实验验证了V2C-3@CL具有良好的生物相容性，无明显的生物刺激性和毒性（图7A-B）；并通过构建大鼠角膜炎动物模型（图7C），证明V2C@CL对感染性角膜炎具有显著的治疗作用（图7D-H），为提高角膜炎治疗效率提供一种新的治疗策略。

图7. V2C@CL在大鼠模型中的体内生物相容性及治疗效果评价

总结

综上，该研究工作开发了一种面对面的水转移印刷方法，将V2C MXenes修饰在CL上，获得了具有多功能特性的透明涂层。所得V2C@CL具有良好的亲水性和涂层稳定性，显示出优异的CAT样、SOD样和GPx样活性，可大大降低HCECs细胞内ROS和LPS刺激的RAW 264.7细胞炎症反应。此外，V2C@CL在抵抗生物膜形成方面表现出优异的抗细菌黏附和杀菌作用，主要通过破坏细菌的细胞膜和其他外周结构，并参与一些代谢途径发挥杀菌和抗粘附作用。

在感染性角膜炎治疗中，V2C@CL的杀菌和抗炎作用明显高于临床使用的万古霉素滴眼液，可有效保护角膜组织结构。因此，这种不依赖于衬底的简单材料表。

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文章来源

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adl3262

原文链接：

https://mp.weixin.qq.com/s/LxRHNM2RtpTIcJyo1qQikw返回搜狐，查看更多

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