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                          金屬材料強度國家重點實驗室在自旋電子應用于生命健康的研究中取得新進展

                          作者: 來源:發布時間:2024-04-02

                          自旋電子在提高半導體器件性能方面具有極大應用潛力,在信息技術、催化等工業領域受到了人們的關注。除了工業工程方面,催化在疾病的治療中也得到了較大的發展,例如通過光催化或聲催化治療細菌感染和殺滅腫瘤。這些療法的療效依賴于活性氧(ROS)的產生,而ROS與催化過程中的電子行為(如電子轉移、電子-空穴對的分離和重組)密切相關。自旋電子能否在抗感染治療中提高催化效率并改善ROS的產生尚不清楚。此外,雖然自旋電子已被證明在植物的自然光合作用中發揮著重要作用,但其能否影響細胞和微生物的行為尚未被探索。

                          近日,太陽成集團tyc33455cc金屬材料強度國家重點實驗室的研究人員在鈦種植體表面制備了具有高電子自旋態的S型鐵磁性Fe3O4/TiO2異質結,研究了自旋電子在促進ROS生成、抗菌和細胞成骨分化中的作用,并將其應用于改善種植體相關性骨髓炎的治療。研究表明,在超聲波刺激下,異質結中的內建電場和電子自旋極化效應的協同作用促進了聲激載流子的分離,從而提高了ROS產率。同時,異質結中自旋極化電子誘導的微磁場使細菌的細胞膜去極化,嚴重擾亂了細菌的呼吸鏈。ROS的損傷、細菌呼吸鏈的紊亂及伴隨的細菌胞內氧化應激導致細菌死亡。重要的是,對于成骨細胞,異質結通過激活機械敏感通道TREK1、Piezo1及其相關下游信號通路,促進細胞的成骨分化。該異質結在體內骨髓炎模型的清除細菌感染和骨再生方面中顯示出優異的治療效果,為開拓自旋電子在生命健康中的應用提供了新的途徑。相關成果以《鐵磁性生物異質結中的自旋電子極化控制在超聲波治療骨髓炎中的應用》(“Electron Spin Polarization Engineering in Ferromagnetic Bioheterojunction for Sonotherapy of Osteomyelitis”)為題發表在Advanced Functional Materials雜志上。


                          圖1. 異質結中的自旋極化電子在促進ROS生成、抗菌、成骨分化和骨髓炎治療中的作用示意圖


                          圖2. 異質結的制備過程(a)、表面形貌(b)、HRTEM圖像(c)、態密度(d)、抗菌性能(e)、不同樣品超聲過程中細菌膜電位的流式細胞術散點圖(f)及細菌的胞內ROS熒光染色圖像(g)、細菌在不同樣品上的ATP含量(h)、成骨細胞在不同樣品上TREK-1和Piezo1相關蛋白的離子通道表達(i)、體內骨髓炎模型中植入6周后細菌感染種植體的Micro-CT圖像(j)以及種植體周圍組織的番紅O-固綠染色(j)。統計學差異采用單因素方差分析(ANOVA)和事后Tukey檢驗(*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001)。


                          太陽成集團tyc33455cc張蘭教授和憨勇教授為論文的共同通訊作者,太陽成集團tyc33455cc博士生丁鐵鑫為論文的第一作者。該研究得到了國家自然科學基金委面上項目、陜西省自然科學基礎研究計劃項目重點基金等項目的支持。

                          論文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202401795




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