二维黑磷基抗菌材料的设计合成及应用_刘温馨著_9787122429254

本书以二维黑磷(BP)为主要研究对象，介绍了作者构建的多种黑磷基材料及其在抗菌领域的应用，具体包括采用碱性溶剂剥离法制备了薄层BPNs，通过实验和测试证明了其良好的生物相容性和血液相容性、探究了其抗菌行为和机理，并发现其还可有效避免细菌耐药性；设计合成了可用于血液消毒领域的BP基磁性复合抗菌材料，通过实验验证了其强磁性和可磁性回收性；构建了可促进致病菌感染型伤口快速愈合的BP基细胞膜模拟物并探究了其刺激响应的抗菌行为；设计合成了可用于细菌靶标、成像及抗感染治疗的二维BP基多功能抗菌材料，通过实验验证了其良

当今社会，由致病菌入侵引发的感染性疾病仍然严重威胁着人类的生命健康。虽然随着公共卫生和生物医学技术的发展，许多细菌感染已被有效地抑制甚至征服，但微生物入侵造成的发病率和死亡率一直居高不下。尤其是由于抗生素的过度使用和耐药基因在细菌种群之间的快速转移，致病菌正以惊人的速度对传统抗生素产生耐药性。因此，相关领域的研究人员正在尝试开发多种方法（如开发新型抗菌剂、设计多种衍生化结构、探索新途径等）来提高对病原菌的抗菌效率。在众多抗菌材料中，二维黑磷（BP）凭借直接带隙半导体、广谱的光学响应性和高生物相容性等优异特性成为二维材料家族中的新星，尤其是其生物降解性被认为是解决细菌耐药性的可行策略之一，这成为BP 优于其他抗菌材料的重要原因。然而BP 的杀菌效率、机理及多功能协同应用等方向尚未明确。

在此背景下，本书以BP 为主要研究对象，通过对单纯黑磷纳米片（BPNs）及BP 基抗菌功能复合材料的设计合成，阐明了BP 在生物医用尤其是抗菌领域的作用效果，并深入探究了其对多菌种、多介质等条件下的抗菌效率、抗菌机理、生物相容性及功能应用等。具体研究内容如下。

①采用碱性溶剂剥离法，成功制备了薄层BPNs。体外抗菌测试证明了其层数、浓度、作用时间和光照强度依赖的抗菌行为和高效的抗菌活性。体外细胞毒性测试及对线虫生长繁殖的影响探究表明了其良好的生物相容性。溶血性测试证明了其优异的血液相容性。同时采取活性氧检测、染料降解、活性氧捕获及透析实验探究了其抗菌行为，阐明了其光动力及物理杀菌结合的协同抗菌机理。此外，利用对BP 的降解性能研究证实了其降解速率、降解程度及降解产物，并通过为期60 天的耐药性测试发现了BP 可以在高效抗菌的同时有效避免细菌耐药性的产生。以上结论通过实验和理论计算的方式进行了充分验证。

②设计合成了高分子N-卤胺改性的BP 基磁性复合抗菌材料（BP-Fe3O4@PEI-pAMPS-Cl），并探究了其在血液消毒中的应用。以BP 为基底，通过静电相互作用先后与可循环抗菌的高分子N-卤胺与可磁性回收的Fe3O4 纳米颗粒复合，制得了产物BP-Fe3O4@PEI-pAMPS-Cl。利用碘量法及循环实验证实了产物中活性氯的存在及可反复“充电”的再生能力，利用磁滞回线、浸出实验等方式验证了产物的强磁性和稳定的可磁性回收性。BP-Fe3O4@PEI-pAMPS-Cl 的体外抗菌效率及循环抗菌实验结果表明其优异的协同抗菌性及20 次循环稳定性。此外，在静态血液和不同血流量下循环血液的抗菌测试及对杀菌后的血液的溶血率、凝血时间和血成分分析均证明了其在血液消毒领域的巨大应用前景。

③受内毒素释放行为启发，构建了一种BP 基细胞膜模拟物（BP-PQVI），并探究了其刺激响应的抗菌行为。利用BP 与细胞膜的相似性，并通过刺激响应型的静电相互作用在BP 表面引入抗菌性季铵盐（PQVI），从而模拟内毒素在细胞膜表面的刺激响应释放行为。通过对BP-PQVI 的元素含量、表面电位及厚度等的调控实现了对细胞膜的模拟。并通过理论和实验的探究发现BP 和PQVI 之间的静电相互作用可在金属离子、其他竞争作用、温度和pH 值的刺激下发生解离，从而较好地实现了对类内毒素释放行为的模拟。此外，静电相互作用的刺激响应性使得PQVI 的释放行为有效可控，因而使得该细胞膜模拟物具有刺激响应的可控性抗菌行为、抗菌效率高且可促进致病菌感染型伤口部位的快速愈合。

④设计合成了Eu3+/ 糖双功能改性的二维BP 基多功能抗菌材料（MAG/ VAE@SiO2-BP），可用于细菌的靶标、成像及抗感染治疗。通过St.ber 法制备SiO2 微球，并采用自由基聚合的方法将Eu3+（荧光成像）和糖（特异性靶向细菌）修饰在SiO2 微球表面，再利用Eu3+ 和BP 之间形成P-Eu 配位键，最终复合制备MAG/VAE@SiO2-BP。通过发光性能测定证实了MAG/ VAE@SiO2-BP 中Eu3+ 的强烈特征发射及荧光特性。经与细菌共培养，证实了MAG/VAE@SiO2-BP 可特异性靶标E. coli K12，使E. coli K12 呈现清晰的红色荧光。体外杀菌实验进一步证明了MAG/VAE@SiO2-BP 对大肠杆菌（E. coli K12）具有良好的靶向杀菌能力，明显优于金黄色葡萄球菌（S. aureus ）。

⑤制备了一种BP 基导电水凝胶，利用其电刺激智能释放特性用于创口愈合治疗。选用透明质酸（HA）和多巴胺（DA）为原料，通过酰胺化反应成功制得HA-DA 水凝胶前驱体，再利用Fe3+ 与DA 的邻苯二酚基团间的配位作用，制备了HA-DA 水凝胶，再向水凝胶体系引入BP 得到BP 基导电水凝胶（HA-DA@BP）。通过对HA-DA 的添加量和pH 值的调控实验，发现在电刺激下水凝胶的机械性能增强，可实现在碱性环境下成胶、在微酸性环境中降解的目的，同时经过对水凝胶降解过程的监测发现水凝胶体系中的BP 可有效和持续释放。通过对电导率的测定表明了BP 的引入使得水凝胶具有优异的导电性能。采用体外细胞毒性和抗菌检测实验证明了BP 可在微酸和电刺激下从水凝胶中释放，不会对正常细胞的存活率产生影响，且可以达到协同的抗菌性能，还能够促进创口的快速愈合。

本书在撰写过程中得到了内蒙古大学董阿力德尔图教授的指导与帮助，在此表示感谢。限于撰写时间及水平，书中不妥及疏漏之处在所难免，敬请读者批评指正。

刘温馨

2022年7月

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