【摘 要】
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在21世纪的今天,人们对健康问题越发重视,细菌感染问题已成为人们关注的重点问题。目前细菌感染尤其是手术后引发的感染给病人的身心造成极大的影响,而抗生素的大量使用不可避免会引发耐药菌风险,所以亟需开发新型抗菌剂。众所周知,铜是一种长期应用的广谱杀菌剂,被大量应用在抗菌不锈钢、涂层等领域。但铜往往需要相对较高的浓度才能具备杀菌性能,这可能会导致细胞毒性。本研究前期发现当Cu2+被还原为Cu+时能极大提
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)
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在21世纪的今天,人们对健康问题越发重视,细菌感染问题已成为人们关注的重点问题。目前细菌感染尤其是手术后引发的感染给病人的身心造成极大的影响,而抗生素的大量使用不可避免会引发耐药菌风险,所以亟需开发新型抗菌剂。众所周知,铜是一种长期应用的广谱杀菌剂,被大量应用在抗菌不锈钢、涂层等领域。但铜往往需要相对较高的浓度才能具备杀菌性能,这可能会导致细胞毒性。本研究前期发现当Cu2+被还原为Cu+时能极大提高杀菌活性,为新型抗菌材料的设计提供了思路,但相关机理尚不明确。本研究利用铜离子和多种弱还原剂实现Cu+的定量合成,并对其抗菌活性及作用机理进行了深入研究。用基于时间的杀菌试验评价其杀菌活性,用激光共聚焦扫描显微镜（CLSM）、流式细胞仪和扫描电子显微镜（SEM）检测细胞膜通透性,用电子顺磁共振（EPR）检测活性氧的产生。结果表明,在15 min内,1 mg/L Cu+对大肠杆菌的抑制率可达5 log10CFU/m L以上。处理过程中菌体细胞膜选择透过性被破坏,但该过程并非由活性氧自由基导致。这些结果表明,Cu+的快速高效杀菌活性可能主要归因于它与细胞膜的直接接触和随后对细胞膜的破坏。使用CCK-8法评估了Cu+的细胞毒性,结果显示1 mg/L的Cu+在全评价时间段内显示出的细胞毒性都在相对较低的水平,并且即使浓度升高到8～16 mg/L,短时间处理（1天）后对细胞造成的影响可以逐渐自行恢复。在上述的研究基础上,基于琼脂糖材料分别制备了铜离子-还原剂复合抗菌水凝胶、纳米铜（Cu-NPs）-还原剂复合水凝胶以及PLA载铜离子微球复合水凝胶,研究了复合水凝胶的抗菌性能。结果显示三种复合水凝胶都具备优异的抗菌性能,其中铜离子-还原剂复合水凝胶可以在极低铜离子浓度（0.25 mg/L）条件下在30分钟内达到4 log10CFU/m L以上的杀菌率。0.001wt%Cu-NPs含量的复合水凝胶能在30分钟内达到4 log10CFU/m L以上的杀菌率,抗菌性能大幅优于1wt.%Cu-NPs水凝胶。进一步研究发现,还原剂的存在能显著促进Cu-NPs快速释放Cu+。为实现水凝胶中铜离子缓慢释放,进一步采用乳化-溶剂挥发法制备了聚乳酸（PLA）载铜离子复合微球。结果发现0.025wt.%含量的聚乳酸载铜离子微球-还原剂复合水凝胶具备良好的杀菌性能,在30分钟内能达到4 log10CFU/m L以上的杀菌率。此外还设计了一种由预制的仅含有Cu2+的水凝胶和单独的还原剂溶液组成的双组份水凝胶体系。通过向预制Cu2+水凝胶中即时添加还原剂实现了高杀菌性能复合水凝胶的实时制备,可解决Cu+自我歧化问题实现水凝胶材料的稳定性和高效杀菌应用。进一步采用悬浮液料火焰喷涂技术制备了PLA-Cu-NPs-VCE和PLA-Cu-NPs-NH3OHCl复合涂层。分析发现涂层表面光滑均匀致密,内部孔隙率较低,喷涂过程中Cu-NPs没有发生明显的氧化或其他相变,有机物化学成分得到了很好的保持。抗菌性能测试发现,单独添加10wt.%Cu-NPs的PLA涂层检测不到杀菌性能,而同时添加还原剂的1wt.%Cu-NPs含量复合涂层杀菌率可达99.99%。释放分析表明,单独添加Cu-NPs的PLA涂层向液体环境释放铜离子极其缓慢,而复合涂层中还原剂的存在可促进Cu-NPs向液体环境快速释放Cu+从而实现高效杀菌作用。本论文的研究工作探究了Cu+的杀菌性能,阐释了Cu+对大肠杆菌的作用机理,并成功制备了一系列具有优异杀菌性能的新型铜基复合水凝胶及复合涂层,为抗菌材料的设计提供了新的思路。
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