由于人口增加和环境污染，微生物数量骤增，微生物的广泛分布可能引发疾病传播、食品腐败及工艺污染等问题。尽管抗生素能够战胜与细菌有关的疾病，但近几十年来，抗生素的滥用削弱了细菌对抗生素的敏感性，导致药效下降。人们迫切需要开发具有优异抗菌性能的材料，以解决耐药性问题。然而，传统的抗菌材料表现出一定的局限性，包括离子释放不受控制以及可能诱发毒性反应等问题。二维材料因其独特的结构和优异的物理化学性质，在抗菌领域展现出巨大潜力。在众多二维材料中，h-BN因其无毒性和环境友好性有望解决细菌污染问题。但是，h-BN抗菌性能并不突出，并且由于其化学惰性，难以通过化学功能化等策略激活基底面提升抗菌效果，进而影响其在抗菌领域中的应用。
为解决这一问题，清华大学深圳国际研究生院雷钰团队联合北京师范大学-香港浸会大学联合国际学院赵樱灿教授团队开发了一种基于氟化六方氮化硼的新型无金属抗菌平台，展现出卓越的抗菌性能和生物相容性。这一突破性研究为应对细菌耐药性问题提供了全新的解决方案。该团队择在医药领域广泛应用和电负性最强的氟（F）元素对六方氮化硼（h-BN）进行改性，提出了一种缺陷辅助两步法来制备氟化氮化硼（F-dBN）。为确保高氟掺杂，通过冷冻球磨在表面制造缺陷空位（缺陷 h-BN：d-BN），超过30%的F原子被功能化在d-BN上。抗菌实验进一步证明，100 ppm F-dBN 对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌率可达99.99%。值得注意的是，研究者还开发一种二维材料/细菌界面微滴电化学平台可以放大电化学信号，研究材料与细菌之间的电荷传输路径。电化学表征显示，与h-BN相比，F-dBN和细菌之间的电荷转移信号更明显，这破坏了细菌细胞外膜上的电子传递，从而阐明了界面电荷转移机制。此外，密度泛函理论（DFT）和实验研究还阐明了 F 原子的作用以及物理破坏效应和电荷破坏的协同抗菌机制。F-dBN对细菌的抗菌效果突出，具有作为生物兼容抗菌平台的潜力，同时有望基于此平台利用微滴电化学方法研究生物系统电荷转移动力学。
研究团队首先采用低温球磨法在h-BN中引入扩展空位，随后通过水热合成反应将F原子功能化到缺陷h-BN上，最终获得F-dBN。通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）等表征手段，研究团队证实了氟原子的成功掺杂；通过XPS、红外衰减全反射（ATR-FTIR）、扫描透射电子显微镜（STEM）表征证实F以B-F、N-F、B-F2、N-F2化学键形式存在；X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）等表征表明F掺杂会增大材料层间距，但不会破坏氮化硼的六方结构。
图1. （A）材料合成方法；（B-D）SEM、TEM表征；（E）XPS表征；（F）STEM表征；（G）XRD表征
采用平板计数法和测量细菌生长曲线等方法测试材料抗菌性能，F-dBN展现出显著的抗菌活性，100 ppm F-dBN对E. coli和S. aureus的抗菌率高达99.99%，而h-BN对细菌的抑制和杀菌作用微乎其微。二维非金属材料F-dBN 具有高效抗菌能力，能有效地针对水溶液中的革兰氏阳性和阴性细菌。此外，F-dBN还展现出优异的生物相容性，细胞毒性实验表明，F-dBN对正常人类细胞的毒性极低，适合应用在生物医学领域。
图2. （A-E）材料抗菌性能测试；（F-G）细胞生物相容性实验
在抗菌性能测试中，F-dBN表现出卓越的性能，这归功于其潜在的机理。通过开发微滴细菌监测平台，采用三电极电化学监测以及原子力显微镜（AFM）和透射电镜（TEM）等表征技术，阐明了其抗菌机制。研究发现，这种非金属、F掺杂二维材料体系通过物理损伤效应和破坏细胞外电子传递机制实现了高效和广谱抗菌。此外，紫外-可见光谱和 DFT 计算的结果进一步证实，与 h-BN 相比，由于F的强吸电子特性，F-dBN具有更优异的离子导电性和对外部电子更强的吸引能力。F原子的引入增强了材料的电子捕获能力，破坏了细菌细胞膜的电荷平衡，从而实现高效杀菌效果。
图3. （A）抗菌机理示意图；（B-E）电化学表征；（F-G）AFM和SEM表征
【小结】
该团队提出采用缺陷驱动功能化氮化硼的方法，利用实验表征方法和 DFT 理论计算证实了F-dBN的六边形结构、化学配位和优异的离子导电性。同时，还开发了一个微型液滴电化学平台，用于监测二维/细菌界面的电荷转移，实验表明F-dBN能够破坏带负电荷细菌细胞膜的渗透性，影响了细胞内呼吸链的电子传递过程。该团队设计一种二维非金属材料的新型抗菌系统，通过增强物理损伤作用和破坏细胞外电子传递的多种抗菌机制，对革兰氏阴性菌和阳性菌具有广谱抗菌活性，并且该系统具有生物兼容性，对细胞毒性低，有望应用于环境和生物医学领域。
