活性金屬硼化物晶格中呈現(xiàn)出極其豐富的鍵合模式，其能水解產生中間產物硼氫納米片、以及釋放離子等特性，賦予了硼化物材料的多功能性。
       另外，此次提出的“硼捕獲”新策略，揭示了活性金屬硼化物可以通過結合細菌細胞壁的關鍵多糖組分（脂多糖/肽聚糖），來破壞細菌結構從而實現(xiàn)殺菌。
       系列對比實驗結果顯示，該策略的殺菌活性與阿米卡星、慶大霉素和環(huán)丙沙星等經(jīng)典抗生素的作用效果相當，甚至抗菌效果遠優(yōu)于氨曲南、氨芐西林和舒巴坦等抗生素。
       值得一提的是，活性金屬硼化物通過破壞細菌結構進行殺菌的機制，可以降低細菌的耐藥性，有望實現(xiàn)更長效的殺菌效果。
       因此，作為一種高效的抗菌組分，把該材料加入紡織品中，可以抑制細菌滋生、防止異味的產生；也可做成抗菌涂層，涂敷在金屬植入物或醫(yī)療器械表面，實現(xiàn)高效的殺菌消毒。
       另據(jù)悉，活性金屬硼化物不僅具備抗菌功能，還可以利用“硼捕獲”功能，結合死菌釋放的游離脂多糖/肽聚糖，高效地抑制死菌誘導的過度炎癥反應。
       因而，該材料也可用于皮膚感染、創(chuàng)面感染和胃腸道潰瘍等一系列細菌感染相關的疾病，解決傳統(tǒng)抗菌劑僅限于殺活菌、無法抑制死菌誘導宿主導致過度炎癥的臨床難題。
       該團隊進一步發(fā)現(xiàn)，活性金屬硼化物的“硼捕獲”特性，可以通過絡合糖的關鍵位點，進而影響糖的功能，從而在治療糖尿病并發(fā)癥和其它糖代謝類型疾病中發(fā)揮重要作用。
       他們預測這類材料的可控釋放離子特性，也具備調控離子電流的潛力，有望在神經(jīng)疾病相關領域發(fā)揮潛在的重要作用。

實現(xiàn)感染創(chuàng)面的高效治療

       據(jù)介紹，細菌感染是慢性創(chuàng)面無法愈合的重要原因，嚴重時可導致敗血癥、多器官衰竭甚至死亡。
       目前，臨床主要利用抗生素和抗菌類納米藥物等治療創(chuàng)面感染。這些藥物雖然可以有效地抑制細菌生長，然而死亡細菌會釋放大量的游離脂多糖或肽聚糖，這會激活宿主免疫細胞從而引起過度炎癥反應，導致創(chuàng)面長期無法愈合，極大限制了該類藥物的治療效果。
       因此，如何讓藥物兼具抑制活菌生長、以及死菌誘導過度炎癥的雙重功能，是目前亟需解決的科學問題。

活菌和死菌阻礙創(chuàng)面愈合的示意圖

       已有文獻表明，病原體的某些關鍵組分，對其結構和功能起著關鍵作用。例如，脂多糖/肽聚糖分別是革蘭氏陰性細菌和革蘭氏陽性細菌的關鍵組分。
       一方面，脂多糖/肽聚糖是細菌細胞壁的關鍵結構組分，起著維持細菌結構的完整性和保護細菌免受抗菌劑殺傷的作用。
       另一方面，脂多糖/肽聚糖也是細菌毒素的主要功能組分，可從死菌的外膜釋放出來，其還具有高度的免疫原性，會誘導宿主產生過度炎癥進而破壞宿主組織。
       值得注意的是，脂多糖/肽聚糖含有的多糖成分，均含有典型的 1,2-或 1,3-鄰雙羥基基團，該類基團是脂多糖/肽聚糖發(fā)揮相應功能的重要結構基礎。
       因此，該團隊推測，如若利用化學手段捕獲脂多糖/肽聚糖的關鍵基團，不僅能在結構上抑制活菌的存活能力，同時也能在功能上抑制死菌誘導的過度炎癥，借此實現(xiàn)促進創(chuàng)面高效愈合的目的。
       那么，如何從材料學角度設計新型功能材料，通過捕獲細菌的關鍵組分——脂多糖/肽聚糖，讓材料兼具抑制活菌生長和抑制死菌誘導過度炎癥的雙重功能，是實現(xiàn)感染創(chuàng)面高效治療的關鍵所在。
       基于此，該團隊首先想到了硼酸鹽類材料，該類材料富含硼雙羥基，能與糖的鄰雙羥基發(fā)生酯化反應，生成動態(tài)的硼酸酯鍵。這種動態(tài)共價鍵已被廣泛用于識別血液支撐、葡萄糖和三磷酸腺苷等物質。
       遺憾的是，在酸性條件和炎癥條件下，硼酸酯鍵非常容易解離，可能硼酸鹽類材料并不適用于此類疾病模型。
       為此，該團隊進一步思考，能否通過對材料加以設計，借此提高硼酸酯鍵在病理微環(huán)境的穩(wěn)定性？
       在對“硼酸-糖絡合”這一經(jīng)典反應加以調研之后，他們發(fā)現(xiàn)硼酸酯鍵的穩(wěn)定性與硼元素的構型密切相關。
       在堿性條件下，硼元素的構型可由 sp2 向 sp3 轉變，該過程能引起硼雙羥基的鍵角發(fā)生變化，從而有效釋放環(huán)狀硼酸酯鍵的鍵張力，進而提高硼酸酯鍵的穩(wěn)定性。
       依據(jù)上述原則，該團隊認為設計可形成穩(wěn)定硼酸酯鍵的材料，將是高效捕獲脂多糖/肽聚糖的關鍵。
       基于上述背景，他們設計合成了這類活性金屬硼化物，它可以水解生成硼雙羥基和氫氧根，并釋放金屬陽離子。
       其中，氫氧根營造的堿性微環(huán)境，可以讓硼原子構型從 sp2 轉向 sp3，借此促進硼雙羥基與糖的鄰雙羥基發(fā)生酯化反應，從而形成穩(wěn)定的硼酸酯鍵。
       這也意味著，利用這類“硼捕獲”新機制，可以捕獲細菌表面的脂多糖/肽聚糖：一方面通過破壞活菌的結構進行殺菌，另一方面通過中和死菌釋放的毒素抗炎，最終高效促進感染創(chuàng)面的愈合。
       通過這一策略，他們解決了傳統(tǒng)抗菌劑僅限于殺活菌、而無法抑制死菌誘導過度炎癥的臨床瓶頸問題。

利用“硼捕獲”機制進行抗菌抑炎的示意圖

       但是，問題隨之而來，活性金屬硼化物捕獲細菌表面的脂多糖/肽聚糖之后，又是如何實現(xiàn)抗菌和抑炎的
       分子生物學機制研究顯示，活性金屬硼化物與細菌表面脂多糖/肽聚糖結合后，可以顯著提高細菌表面局域陽離子、比如 Mg 離子的濃度，借此能夠改變細菌外膜的膜電位，進而破壞膜的通透性，最終激活細菌 RNA 降解信號通路，起到高效殺菌的功能。
       另一方面，活性金屬硼化物與死菌釋放的游離脂多糖/肽聚糖結合之后，可以有效抑制游離脂多糖/肽聚糖誘導的 MAPKs，包括 P38、Erk 和 JNK 信號通路的磷酸化，從而起到抑制炎癥反應的作用。
       一系列的活體實驗結果顯示，活性金屬硼化物具備顯著促進小鼠感染創(chuàng)面愈合的能力?？梢哉f，該研究不僅解決了前人研究中被忽略的死菌易導致過度炎癥的關鍵瓶頸問題，也開創(chuàng)性地揭示了活性金屬硼化物在抗菌和抑炎等方面的新機制，有望為新型抗菌、促創(chuàng)面愈合治療劑的開發(fā)以及臨床抗感染疾病的治療提供新思路。
       總結以上，步文博團隊將該類活性金屬硼化物材料歸納為“硼磁”材料，提出“硼磁”捕獲細菌關鍵組分策略，并揭示其抗菌和抑炎的功能機制，該策略可實現(xiàn)感染創(chuàng)面的高效治療。

 活性金屬硼化物和細菌的兩個“同與不同”

       回首來路，課題來源于他們發(fā)現(xiàn)感染創(chuàng)面難愈合的主要緣故，是因為無法兼顧殺活菌和抑制死菌誘導的過度炎癥。
       為解決這一瓶頸問題，他們聚焦于活菌和死菌共有的關鍵多糖組分 (脂多糖/肽聚糖)，借鑒硼雙羥基可與鄰雙羥基發(fā)生的經(jīng)典的酯化反應，巧妙利用硼酸類材料水解產生的硼雙羥基絡合細菌的脂多糖/肽聚糖，阻斷細菌的生物學效應。
       同時，為克服硼酸酯鍵在酸性和炎癥條件下易解離這一瓶頸問題，該團隊設計合成了一類新型活性金屬硼化物材料體系，推測其水解釋放的氫氧根可營造堿性微環(huán)境，有助于提升硼酸酯鍵的穩(wěn)定性。
       接下來，研究進入可行性的驗證階段。具體來說，該團隊采用改進的高溫自蔓延燃燒法，他們制備了一系列粒徑在 200nm 左右的活性金屬硼化物。
       以硼化鎂為例，該研究團隊首先驗證了材料在水解時，通過釋放氫氧根來營造堿性微環(huán)境的特性。
       期間，他們觀測到活性金屬硼化物可與脂多糖/肽聚糖絡合形成硼酸酯鍵。再加上初步的抗菌實驗，證明硼化鎂具有優(yōu)異的抗菌性能，也讓課題的可行性得以驗證。
       隨后，研究進入系統(tǒng)測試材料功能特性的階段。該團隊分析了系列活性金屬硼化物水解產生硼雙羥基、氫氧根以及釋放金屬離子的特性，并采用紅外光譜等測試技術，證明這一系列的活性金屬硼化物都能和脂多糖/肽聚糖以及細菌發(fā)生反應，從而生成硼酸酯鍵。
       進一步地，通過理論計算他們發(fā)現(xiàn)活性金屬硼化物能和脂多糖絡合生成的硼酸酯鍵，其鍵能也強于所對應的硼酸絡合。通過 SEM-mapping，該團隊還觀測到活性金屬硼化物比硼酸更容易結合在細菌細胞壁這一關鍵實驗數(shù)據(jù)，證明活性金屬硼化物能和脂多糖/肽聚糖形成穩(wěn)定硼酸酯鍵。
       接下來，研究進入了揭示活性金屬硼化物的抗菌和抑炎功能機制的階段。期間，該團隊先后采用流式細胞術、生物電鏡、激光共聚焦等測試手段，評估了活性金屬硼化物優(yōu)異的抗菌效果，觀察到活性金屬硼化物可以改變細菌細胞膜的膜電位，同時細菌細胞膜也發(fā)生了破裂。
       然后，通過轉錄組測序實驗他們發(fā)現(xiàn)，活性金屬硼化物導致細菌死亡的原因，與細菌內過度激活的 RNA 降解信號通路密切相關。
       基于上述結果，該團隊做出以下推測：活性金屬硼化物與細菌表面脂多糖/肽聚糖結合后，可以顯著提升細菌表面局域的金屬陽離子濃度，從而改變細菌外膜的膜電位而破壞膜的通透性，進而激活細菌 RNA 降解信號通路，最終實現(xiàn)了高效殺菌。
       另一方面，通過免疫細胞激活實驗，該團隊還證明：活性金屬硼化物可以結合死菌釋放的游離游離脂多糖/肽聚糖，進而抑制游離脂多糖/肽聚糖誘導的 MAPKs，包括 P38、Erk 和 JNK 信號通路的磷酸化，借此起到高效抑炎的效果。
       最后一步，則是活體小鼠的功能驗證階段。在細菌感染小鼠模型、死細菌引起炎癥的小鼠模型、以及感染的創(chuàng)面模型中，該團隊系統(tǒng)性地驗證了材料的抗感染、抗炎及促進感染創(chuàng)面的功能，并從病理切片和免疫熒光水平，同時驗證了活性金屬硼化物的抗菌、抑炎和促進感染創(chuàng)面愈合的功效。至此，終于為本次課題劃上圓滿的句號。
       對于研究過程，步文博還講了這樣一個花絮：“實驗前期，我們試著合成了一系列水相可分解的活性金屬硼化物，并驗證材料是否具備設想的抗菌功能。
       初步實驗結果給我們帶來了很大驚喜——該系列的活性金屬硼化物均具有優(yōu)異的抗菌活性。值得一提的是，對于同一種細菌的抗菌活性，不同類型的活性金屬硼化物并不一樣；對于不同種類的細菌，同一類型的活性金屬硼化物也呈現(xiàn)出不同的抗菌活性。”
       這表明，不同活性金屬硼化物的抗菌功能是存在差異的，未來還有很大的空間去探索各類材料的特性、挖掘材料的抗菌新機制、以及優(yōu)化材料的抗菌功能。

“彼之砒霜，此之甘飴”

       在設計材料時，步文博無意間與一位超導領域的研究人員交流，借此了解到該領域的經(jīng)典材料二硼化鎂存在遇潮分解而影響后續(xù)實驗性能的獨特現(xiàn)象。
       “出于逆向思維的思考，我們發(fā)現(xiàn)當該類材料應用于超導領域時存在的穩(wěn)定性差這一固有缺陷，但這恰好可以被生醫(yī)領域所利用，進而轉變?yōu)楠毦咛厣男阅軆?yōu)勢。”步文博說。
       同時，該成果由復旦大學的材料工作者與同濟大學附屬第十人民醫(yī)院的生醫(yī)研究者聯(lián)合完成，這充分體現(xiàn)了醫(yī)工交叉、以及不同學科人員緊密合作的重要性，這種合作模式也發(fā)揮了高校和醫(yī)院的各自優(yōu)勢。
       接下來，該團隊將深入研究活性金屬硼化物獨特的“硼捕獲”材料學機制。前面提到，此次研究里他們明確觀察到活性金屬硼化物與普通硼酸組分的“硼捕獲”性能差異，因此后續(xù)將從硼化物含硼組分的多中心成鍵特性的角度進行挖掘。
       其次，該團隊還將探索活性金屬硼化物“硼捕獲”的抗菌新機制。如前所述，對于同一種細菌的抗菌效果，不同活性金屬硼化物的效果并不相同；對于不同的細菌，即便是同一種活性金屬硼化物也會呈現(xiàn)不一樣的活性。
       因此，他們將探索相關的分子生物學機制，助力篩選出具備最優(yōu)功能的抗菌劑、以及尋找制造抗菌劑的最優(yōu)方案。
       當然，該團隊也將努力推動活性金屬硼化物的臨床轉化。目前，該成果已經(jīng)申報相關專利。接下來，他們將系統(tǒng)研究活性金屬硼化物在生物體內外的安全性，開發(fā)相關的水凝膠、粉劑和貼劑等產品，以便評估該類產品的生物活性和穩(wěn)定性，最終推動臨床轉化。