能 “感知” 还能 “杀灭”！西南交大新型水凝胶实现细菌实时检测与高效抗菌，抗菌率达 99%

传统细菌检测与抗菌处理长期面临 “分离式” 困境：多数生物传感器仅能完成致病菌检测，需额外设备与步骤进行灭活，且可视化检测常依赖复杂样品预处理、专业操作及昂贵仪器，难以满足快速响应需求；而单一抗菌材料又缺乏实时监测感染程度的能力，导致公共卫生与临床场景中存在效率低、资源浪费等问题。针对这一痛点，研究团队以金属有机框架（MOF）与半导体材料为核心，构建了兼具 “感知” 与 “治疗” 双重功能的智能材料平台。

该水凝胶系统的核心创新在于针状 ZnO/ZIF-L 异质结的设计：研究人员通过自模板法，先以硝酸锌与氢氧化钠制备具有物理穿刺能力的针状氧化锌（ZnO），再让其表面原位生长沸石咪唑酯骨架（ZIF-L，一种兼具光响应性与生物相容性的金属有机框架材料），形成核壳结构。这种设计既保留了 ZnO 的光催化活性与针状结构的物理破坏优势，又借助 ZIF-L 的高比表面积提升材料稳定性与生物相容性。随后，团队通过 365nm 紫外光引发丙烯酰胺、羟乙基甲基丙烯酸酯等单体聚合，将 ZnO/ZIF-L 与 pH 指示剂溴百里酚蓝（BTB）嵌入水凝胶网络，最终制成多功能复合材料。

图 1：展示 ZnO/ZIF-L 水凝胶的合成流程、ZnO 与 ZnO/ZIF-L 的 SEM 形貌及 ZnO/ZIF-L 中 C、N、O、Zn 元素的分布情况。

在细菌检测层面，BTB 赋予水凝胶敏锐的 pH 响应特性：当环境中存在细菌时，其代谢过程会释放酸性物质，使局部微环境 pH 值降至 6.0 左右，此时水凝胶可在 5 分钟内完成从蓝色（pH8.0）经绿色（pH7.4）到黄色（pH6.0）的颜色转变，实现裸眼识别感染；进一步研究显示，在 10^5-10^9 CFU/mL 的细菌浓度范围内，水凝胶的 RGB 总强度值与细菌浓度对数呈现强线性相关（R²=0.96），可满足定量检测需求，无需依赖精密检测仪器。

图 2：呈现材料（ZnO、ZIF-L、ZnO/ZIF-L）的 FT-IR、PXRD、ESR 谱图及 ZnO/ZIF-L 与水凝胶的 ATR-FTIR 谱图，用于结构表征。

 抗菌性能上，该系统凭借 “物理 - 光动力协同机制” 实现高效灭活：一方面，针状 ZnO/ZIF-L 可直接穿刺细菌细胞膜，破坏其结构完整性；另一方面，材料在可见光（氙灯照射）下能高效分离光生电荷，产生活性氧（ROS，包括超氧阴离子・O₂⁻与羟基自由基・OH），通过光动力作用进一步杀灭细菌。实验数据显示，该水凝胶对大肠杆菌（革兰氏阴性菌）与金黄色葡萄球菌（革兰氏阳性菌）的抗菌效率均高达 99%，显著优于纯 ZnO 水凝胶（82%）与 ZIF-L 水凝胶（78%），且仅需 30 分钟光照即可启动高效灭活过程。

图 3：呈现水凝胶在不同 pH 下的颜色变化、细菌检测的颜色变化与浓度校准曲线，以及不同水凝胶对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌效果和细菌存活率。

 此外，该水凝胶的实用性能突出：在模拟生理环境的磷酸盐缓冲液（pH7.4）中，24 小时溶胀率达 358.97%，可充分吸收伤口渗出液；经 50 次手指关节弯曲测试后仍无断裂或分层，柔韧性适配体表活动；同时能稳定黏附于玻璃、塑料等多种材质表面，甚至可吊起 28 克的玻璃烧杯，满足伤口敷料的贴合需求。生物安全性测试显示，该水凝胶与小鼠巨噬细胞（RAW 264.7）共培养 24 小时后，细胞存活率超 86%，表明其细胞毒性极低，符合生物医用标准。

相较于传统 “先检测、后处理” 的模式，这种一体化平台无需额外设备与步骤，可实时监测感染程度并同步启动抗菌治疗，既能用于食品生产中致病菌的快速筛查，也能作为伤口敷料动态监测创面感染并杀灭致病菌，有效减少环境交叉污染与治疗延误风险。该研究不仅为多功能抗菌材料设计提供了 “检测 - 灭活” 协同的新思路，更推动了金属有机框架与水凝胶复合材料在公共卫生、临床护理领域的应用突破，有望为解决食品安全与耐药菌感染问题提供技术支撑。

参考文献：Gao Z, Han X, Gao W, et al. Needle-Shaped ZnO/ZIF-L Hydrogel System for Bacterial pH-Responsive Detection and Synergistic Physical Disruption/Photodynamic Inactivation[J]. ACS Applied Bio Materials, 2025.