A multimodal defect-rich nanoreactor triggers sono-piezoelectric tandem catalysis and iron metabolism disruption for implant infections

纳米反应器 活性氧 催化作用 化学 抗菌活性 生物物理学 材料科学 细菌 生物化学 生物 遗传学
作者
Fuyuan Zheng,Xufeng Wan,Yangming Zhang,Yan Yue,Qiaochu Li,Zhuang Zhang,Shuoyuan Li,Hong Xu,Qiang Su,X. Chen,Le Tong,Long Zhao,Jian Cao,Xin Tang,Xiao Yang,Jiagang Wu,Jian Li,Xiang Lv,Zongke Zhou,Duan Wang
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science (AAAS)]
卷期号:11 (11): eads8694-eads8694 被引量:12
标识
DOI:10.1126/sciadv.ads8694
摘要

Tracking and eradicating drug-resistant bacteria are critical for combating implant-associated infections, yet effective antibacterial therapies remain elusive. Herein, we propose an oxygen vacancy–rich (BiFe) 0.9 (BaTi) 0.1 O 3− x nanoreactor as a piezoelectric sonosensitizer by spatiotemporal ultrasound–driven sono- and chemodynamic tandem catalysis to amplify antibacterial efficacy. The piezoelectric charge carriers under a built-in electric field synchronize the reaction of O 2 and H 2 O, efficiently generating H 2 O 2 . The electron-rich oxygen vacancies modulate the local electronic structure of an Fe site. It facilitates reactive oxygen species generation by piezoelectric electrons and accelerates valence state cycles of Fe(III)/Fe(II) to achieve the sustained maintenance of hydroxyl radicals via H 2 O 2 /Fe(II)–catalyzed chemodynamic reactions, which lead to bacterial membrane damage. Transcriptomics analysis revealed that intracellular Fe overload induced by excessive Fe(II)-mediated dysregulation of the two-component system disrupts bacterial metabolism, triggering bacterial ferroptosis-like death. Thus, the porous titanium scaffold, engineered with a piezoelectric nanoreactor, demonstrates superior antibacterial efficacy under ultrasound and facilitates osteogenesis via piezoelectric immunomodulation–activated therapy.
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