自旋电子在提高半导体器件性能方面具有极大应用潜力，在信息技术、催化等工业领域受到人们关注。除了工业工程方面，催化在疾病的治疗中也得到了较大的发展，例如通过光催化或声催化治疗细菌感染和杀灭肿瘤。这些疗法的疗效依赖于活性氧(ROS)的产生，而ROS与催化过程中的电子行为(如电子转移、电子-空穴对的分离和重组)密切相关。自旋电子能否在抗感染治疗中提高催化效率并改善ROS的产生尚不清楚。此外，虽然自旋电子已被证明在植物的自然光合作用中发挥着重要作用，但其能否影响细胞和微生物的行为尚未被探索。
近日，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室研究人员在钛种植体表面制备了具有高电子自旋态的S型铁磁性Fe3O4/TiO2异质结，研究了自旋电子在促进ROS生成、抗菌和细胞成骨分化中的作用，并将其应用于改善种植体相关性骨髓炎的治疗。研究表明，在超声波刺激下，异质结中的内建电场和电子自旋极化效应的协同作用促进了声激载流子的分离，从而提高了ROS产率。同时，异质结中自旋极化电子诱导的微磁场使细菌的细胞膜去极化，严重扰乱了细菌的呼吸链。ROS的损伤、细菌呼吸链的紊乱及伴随的细菌胞内氧化应激导致细菌死亡。重要的是，对于成骨细胞，异质结通过激活机械敏感通道TREK1、Piezo1及其相关下游信号通路，促进细胞的成骨分化。该异质结在体内骨髓炎模型的清除细菌感染和骨再生方面中显示出优异的治疗效果，为开拓自旋电子在生命健康中的应用提供了新的途径。相关成果以《铁磁性生物异质结中的自旋电子极化控制在超声波治疗骨髓炎中的应用》（“Electron Spin Polarization Engineering in Ferromagnetic Bioheterojunction for Sonotherapy of Osteomyelitis”）为题发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上。
异质结中的自旋极化电子在促进ROS生成、抗菌、成骨分化和骨髓炎治疗中的作用示意图
异质结的制备过程(a)、表面形貌(b)、HRTEM图像(c)、态密度(d)、抗菌性能(e)、不同样品超声过程中细菌膜电位的流式细胞术散点图(f)及细菌的胞内ROS荧光染色图像(g)、细菌在不同样品上的ATP含量(h)、成骨细胞在不同样品上TREK-1和Piezo1相关蛋白的离子通道表达(i)、体内骨髓炎模型中植入6周后细菌感染种植体的Micro-CT图像(j)以及种植体周围组织的番红O-固绿染色(j)。统计学差异采用单因素方差分析(ANOVA)和事后Tukey检验(*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001)
西安交通大学张兰教授和憨勇教授为论文共同通讯作者，西安交通大学博士生丁铁鑫为论文第一作者。该研究得到了国家自然科学基金委面上项目、陕西省自然科学基础研究计划项目重点基金等项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202401795
