Biofilm Microenvironment-Sensitive Piezoelectric Nanomotors for Enhanced Penetration and ROS/NO Synergistic Bacterial Elimination

生物膜 材料科学 渗透(战争) 活性氧 纳米技术 压电 生物物理学 微生物学 细菌 化学 生物 生物化学 复合材料 遗传学 运筹学 工程类
作者
Ye Zhao,Yao Liu,Ran Liao,Pan Ran,Yuan Liu,Zixuan Li,Jichun Shao,Long Zhao
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (3): 3147-3161
标识
DOI:10.1021/acsami.3c15689
摘要

Sonodynamic therapy offers a highly accurate treatment for bacterial infections; however, its antibacterial efficacy is hindered by bacterial biofilms that limit the penetration of sonosensitizers. Herein, a nitric oxide (NO)-driven mushroom-like Janus nanomotor (BT@PDA-La) based on the unilateral coating of polydopamine (PDA) on piezoelectric tetragonal barium titanate (BT) and further modified with l-arginine (l-Arg) on the PDA side is fabricated. In the infected microenvironment with high levels of H2O2, NO is produced unilaterally from BT@PDA-La, thus leading to its self-propelled movement and facilitating its permeability in the biofilm. Under ultrasonic vibrations, the piezoelectric effect of BT@PDA-La is triggered by the exogenous mechanical wave, and toxic reactive oxygen species (ROS) are efficiently generated via an in situ catalytic reaction. The synergistic treatment with ROS/NO achieved the destruction of biofilms and embedded drug-resistant bacteria in vitro. Importantly, BT@PDA-La exhibits excellent biofilm penetration capacity, effectively eliminating biofilm infection while accelerating the healing of infected muscles by alleviating oxidative stress, regulating inflammatory factors, and accelerating angiogenesis. Collectively, this study provides a promising strategy for enhancing the penetration of pathological environment-driven nanomaterials through biofilms and advances the application of nanomotors for the therapy of bacterial infections in clinical medicine.
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