太原理工大学张翔宇团队研究成果：微波响应Fe₃O₄/ZnTCPP纳米材料抗菌性能研究
引言
细菌感染是导致人类死亡的主要原因之一，其中金黄色葡萄球菌是最常见的致病菌，可引发多种严重感染。传统上，细菌感染主要依赖抗生素治疗，但抗生素的过度使用导致了细菌耐药性的增强，甚至出现了超级细菌。因此，开发新型抗菌策略成为生物医学领域的重要研究方向。近年来，智能响应生物材料在抗菌治疗中受到广泛关注，尤其是光响应治疗，但由于光在生物组织中的穿透能力有限，限制了其在深部感染治疗中的应用。相比之下，微波因其较长的波长和良好的穿透力，在深部组织感染治疗中展现出显著优势。文章基于太原理工大学张翔宇教授团队研究成果及国家自然科学基金、中央引导地方发展基金项目资助，采用水热法制备兼具磁损耗与介电损耗特性的Fe₃O₄/ZnTCPP 复合抗菌材料，考察了复合材料的微波吸收性能。
01、研究背景
微波辅助疗法主要包括微波动态疗法(MDT)和微波热疗法(MTT)。MDT依赖材料在微波照射下产生活性氧(ROS)来杀菌，但微波能量较低，无法直接引起电子跃迁产生ROS，因此材料需设计成特殊结构以增强效果。MTT则通过材料的磁损耗和介电损耗将微波能转化为热能，诱导细菌DNA交联、蛋白质变性和细胞膜裂解，实现快速杀菌。然而，过高温度可能损伤健康组织，因此需严格控制治疗温度。将MDT与MTT结合使用，通过协同作用达到安全且高效的杀菌效果，成为研究热点。 微波吸收材料可分为磁损耗型和介电损耗型，将两者结合可提升微波吸收及催化性能。Fe₃O₄作为典型磁损耗材料，虽具有良好的微波吸收性能，但抗菌能力有限，需与高效抗菌组分复合。卟啉(TCPP)具有优异的光捕获能力和载流子迁移率，与金属离子配位后可进一步提升催化活性，其多孔结构还能促进微波多重反射损耗，增强微波吸收性能。因此，将Fe₃O₄与ZnTCPP复合，结合两者的优势，为突破现有抗菌治疗的深度限制提供了新思路。 02、创新亮点 （1）微波响应复合材料的制备 采用水热法制备了兼具磁损耗与介电损耗特性的Fe₃O₄/ZnTCPP复合抗菌材料，通过SEM、TEM等手段证实了Fe₃O₄纳米颗粒均匀分散在ZnTCPP基底上，成功实现了两者的复合。 （2）双重抗菌机制 Fe₃O₄/ZnTCPP复合材料在微波照射下，通过MDT与MTT的协同作用，即微波热效应和微波催化产生ROS的双重机制，实现了对金黄色葡萄球菌的高效抗菌，抗菌率达到99.8%。 （3）优异的生物相容性 细胞骨架染色实验和MTT实验证明，Fe₃O₄/ZnTCPP复合材料具有良好的生物相容性，为生物医学应用提供了安全保障。 （4）潜在的临床应用前景 这种新型抗菌策略结合了ROS催化和热疗的双重优势，为骨髓炎等深层组织感染治疗提供了一种安全有效的新方法，具有重要的临床应用前景。 03、图文展示 图1 (a)-(c) Fe₃O₄、ZnTCPP、Fe₃O₄/ZnTCPP的SEM图像；(d) Fe₃O₄/ZnTCPP的TEM图像；(e) Fe₃O₄/ZnTCPP的HR-TEM图像；(f) Fe₃O₄/ZnTCPP的EDS图像 Fig.1 (a)-(c)SEM image of Fe₃O₄, ZnTCPP and Fe₃O₄/ZnTCPP; (d) TEM image of Fe₃O₄/ZnTCPP; (e)HR-TEM image of Fe₃O₄/ZnTCPP;(f) EDS image of Fe₃O₄/ZnTCPP 图2 (a)不同样品的XRD图谱；(b)不同样品的红外光谱；(c)不同样品的X射线光电子图谱；(d)-(f)不同样品的高分辨X射线光电子图谱 Fig.2 (a) X-ray diffraction patterns of different samples; (b) FT-IR spectra of different samples;(c) XPS profiles of different samples;(d)-(f) high-resolution XPS spectra of Fe 2p, Zn 2p and C 1s 图3 不同样品的微波吸收性能检测：(a) 3D反射损耗图；(b) RL图；(c)电磁参数 Fig.3 MA mechanism of different samples：(a)3D frequency dependence graph;(b) reflection loss curve;(c) electromagnetic parameters 图5 不同样品抗菌性能检测：(a) MW照射后细菌培养计数结果；(b) 抗菌率；(c)荧光活/死图像；(d) MW照射后细菌蛋白泄露检测 Fig.5 Antibacterial activity in vitro of different samples：(a) photographs of colonies; (b) antibacterial rate;(c) live and dead staining images；(d) protein leakage (*p < 0.05, **p < 0.01 and ***p < 0.001) 图6 (a) 不同样品对成骨细胞的铺展影响；(b) MTT检测结果 Fig.6 (a)The effects extract solutions on osteoblast spreading of different samples; (b) MTT assay ofosteoblast after incubation for 1, 3 and 5 days (*p < 0.05, **p < 0.01 and ***p < 0.001) 04、结论 本文成功制备了微波响应的Fe₃O₄/ZnTCPP复合抗菌材料，并系统评价了其在微波照射下的抗菌性能和生物相容性。结果表明，Fe₃O₄/ZnTCPP复合材料在微波照射下展现出优异的抗菌效果，抗菌率高达99.8%，显著优于单一组分。同时，该材料还具有良好的生物相容性，为深层组织感染治疗提供了一种安全有效的新策略。本研究不仅为微波响应抗菌材料的设计提供了新思路，也为临床抗感染治疗提供了新的选择。 引用本文 文章发表于《功能材料》2026年第57卷第1期，欢迎引用本文： 王柏惠，程昊，张翔宇.微波响应Fe₃O₄/ZnTCPP纳米材料抗菌性能研究[J].功能材料,2026,57(1):235-242. WANG B H,CHENG H,ZHANG X Y.Antibacterial properties of microwave-responsive Fe₃O₄/ZnTCPP nanomaterials[J].Journal of functional materials,2026,57(1):235-242.