Multimodal Biofilm Inactivation Using a Photocatalytic Bismuth Perovskite–TiO2–Ru(II)polypyridyl-Based Multisite Heterojunction

异质结 材料科学 光催化 光化学 生物膜 钙钛矿(结构) 化学工程 催化作用 无机化学 纳米技术 化学 光电子学 冶金 生物 结晶学 有机化学 遗传学 工程类 细菌
作者
Noufal Kandoth,Sonu Pratap Chaudhary,Subhadeep Gupta,Kumari Raksha,Atin Chatterjee,Shresth Gupta,Safakath Karuthedath,Catherine S. P. De Castro,Frédéric Laquai,Sumit Kumar Pramanik,Sayan Bhattacharyya,Amirul Islam Mallick,Amitava Das
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (11): 10393-10406 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c01064
摘要

Infectious bacterial biofilms are recalcitrant to most antibiotics compared to their planktonic version, and the lack of appropriate therapeutic strategies for mitigating them poses a serious threat to clinical treatment. A ternary heterojunction material derived from a Bi-based perovskite–TiO2 hybrid and a [Ru(2,2′-bpy)2(4,4′-dicarboxy-2,2′-bpy)]2+ (2,2′-bpy, 2,2′-bipyridyl) as a photosensitizer (RuPS) is developed. This hybrid material is found to be capable of generating reactive oxygen species (ROS)/reactive nitrogen species (RNS) upon solar light irradiation. The aligned band edges and effective exciton dynamics between multisite heterojunctions are established by steady-state/time-resolved optical and other spectroscopic studies. Proposed mechanistic pathways for the photocatalytic generation of ROS/RNS are rationalized based on a cascade-redox processes arising from three catalytic centers. These ROS/RNS are utilized to demonstrate a proof-of-concept in treating two elusive bacterial biofilms while maintaining a high level of biocompatibility (IC50 > 1 mg/mL). The in situ generation of radical species (ROS/RNS) upon photoirradiation is established with EPR spectroscopic measurements and colorimetric assays. Experimental results showed improved efficacy toward biofilm inactivation of the ternary heterojunction material as compared to their individual/binary counterparts under solar light irradiation. The multisite heterojunction formation helped with better exciton delocalization for an efficient catalytic biofilm inactivation. This was rationalized based on the favorable exciton dissociation followed by the onset of multiple oxidation and reduction sites in the ternary heterojunction. This together with exceptional photoelectric features of lead-free halide perovskites outlines a proof-of-principle demonstration in biomedical optoelectronics addressing multimodal antibiofilm/antimicrobial modality.
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