致病菌一直严重威胁着人类的健康安全,在数十年预防与治疗细菌感染的过程中,滥用抗生素导致病原菌的耐药性普遍增强,增加了治愈难度,提高了治疗成本,加重了社会负担。然而,临床上传统的口服或静脉注射抗生素等预防与治疗手段,在使用植入物的骨科等外科手术的治疗过程中,很难清除附着并定植在植入物表面的细菌生物膜。为了控制种植体相关感染,通常需要增加抗生素的治疗时间和使用剂量,这就引起另一个世界性医疗难题——细菌耐药性感染。多重耐药菌随着抗生素的滥用逐渐在全球范围内出现和传播,无时无刻不危及人类与动物的健康。“超级细菌”的诞生,使得人类的感染率和死亡率逐年增加,开发新型抗菌剂及其治疗措施以应对当前植入相关的细菌生物膜的挑战已成为解决耐药性细菌感染的当务之急。虽然目前如抗菌肽、噬菌体、免疫调节剂及掠食性细菌等各种新型抗菌剂可以抑制耐药性细菌感染,但是它们仍存在各种缺点,例如复杂的技术要求,高昂的实施成本以及潜在的健康风险。然而,金属纳米颗粒不仅具有良好的抗菌性能,还具有制备简单、高效率、低毒性、靶向性及低成本等优点。此外,纳米碳材料及其衍生的纳米复合物作为新型抗菌材料,因其低毒性、绿色环保、成本低廉等特点同样备受瞩目。目的:构建新型铜基纳米颗粒(如硫化铜纳米颗粒)以及石墨烯复合纳米材料(如硫化铜/氧化石墨烯纳米复合材料),分别评价其材料表征、生物安全性、抗菌性能与机制,评估其联合光热/光动力作用抑制植入物细菌生物膜,修复耐药菌感染性创面的效果与应用价值。方法:1.构建硫化铜纳米颗粒(Cu9S8 NPs)评估其联合光热/光动力消除细菌生物膜的应用。采用半胱氨酸,硝酸铜和硫化钠通过湿化学法合成Cu9S8NPs,并用聚乙二醇修饰表面;使用透射电镜观察晶体形貌以及晶粒尺寸,X线衍射仪测试纳米颗粒的物相和晶胞类型;测量Cu9S8 NPs在红外光谱下的吸收峰以及升温与冷却曲线计算光热转化率;通过细胞毒性与增殖、血液相容性、细胞活/死染色评估纳米材料的生物相容性;通过细菌涂板试验、钛片表面细菌活/死染色、扫描电镜、动态抗菌活性评估Cu9S8 NPs联合近红外(NIR)的抗菌活性;通过单线态氧检测、过氧化氢检测、活性氧检测、基因组完整性探讨Cu9S8 NPs联合NIR的抗菌作用机制;最后通过细菌生物膜活/死染色、扫描电镜、结晶紫染色评估Cu9S8 NPs联合NIR对细菌生物膜的清除效果。2.构建硫化铜/氧化石墨烯纳米复合材料(CuS/GO NCs)评估其抗耐药菌感染的应用。采用氧化石墨烯作为基底材料,使用硝酸铜和硫代乙酰胺以聚乙烯吡咯烷酮作为配体通过水热法合成CuS/GO NCs;使用透射电镜观察形貌特征,X线衍射仪测试纳米复合材料的物相和晶胞类型,激光拉曼光谱仪分析CuS/GO NCs的拉曼光谱变化,原子力显微镜观察并分析CuS/GO NCs的表面形貌;通过细胞毒性与增殖、活/死细胞染色、血液相容性评估纳米复合材料的生物相容性;通过细胞划痕试验评估其细胞迁移作用;通过细菌涂板试验、细菌活/死染色、透射电镜、扫描电镜、活性氧检测探讨CuS/GO NCs抗菌活性与机制;使用大鼠创面感染模型进行耐药菌感染性创面愈合试验,创面残余细菌量检测以及组织学分析评估CuS/GO NCs的体内抗菌性能和生物安全性以及促进感染创面愈合作用。成果:1.合成了具有良好生物相容性的独特的聚乙二醇表面改性Cu9S8 NPs。我们发现Cu9S8 NPs在近红外(808 nm,1w/cm2)照射下表现出较高的光热性能,可以增加活性氧(ROS)的生成。Cu9S8 NPs经近红外照射成功破坏细菌结构,导致钛片上粘附与生长的金黄色葡萄球菌死亡。此外,通过Cu9S8 NPs联合水浴加热处理,模拟NIR+Cu9S8组的温度变化,表明NIR+Cu9S8组所表现的优异的抗菌活性与光热疗法和光动力疗法具有协同作用。最后,NIR+Cu9S8组有效地破坏了钛片上细菌生物膜的形成,而Cu9S8 NPs联合加热处理后对其作用较弱。因此,基于Cu9S8 NPs的光热疗法和光动力疗法可以提供一种很有前途的方法来消除植入相关的细菌并破坏细菌生物膜。2.通过简便的水热法将CuS NPs与GO纳米片进行整合,得到了具有物理和化学的方式双重杀菌模式的新型CuS/GO NCs,实现了纳米铜粒子在氧化石墨烯纳米粒子上的原位生长和均匀分散。我们发现合成的CuS/GO NCs呈现独特的针状形态,可以与细菌表面结合,以物理方式破坏细菌细胞膜,还可以通过化学抗菌活性产生高水平的ROS从而杀死细菌。这些特点赋予了 CuS/GO NCs卓越的抗菌能力,单次使用即可杀死创面组织内的耐甲氧西林金黄葡萄球菌。此外,CuS/GO NCs具有良好的生物相容性,能促进细胞迁移和胶原分泌,在体内加速感染创面愈合。本研究提供了一种将纳米材料的物理和化学抗菌模式相结合的新策略,用于改善耐药细菌感染的治疗。结论:1.合成的Cu9S8 NPs具有良好生物相容性,联合光热/光动力协同作用,可以增强抗菌活性,提高ROS水平,有效破坏细菌结构,并清除植入物表面细菌生物膜。因此,基于Cu9S8 NPs的光热疗法和光动力疗法可以提供一种很有前途的方法来消除植入相关的细菌并破坏细菌生物膜。2.合成的CuS/GO NCs通过物理和化学的方式双重模式,利用其表面的纳米针状结构与耐甲氧西林金黄葡萄球菌结合并破坏细菌细胞膜,通过产生高水平的ROS而杀灭细菌。CuS/GO NCs不仅具有良好的生物相容性,还促进细胞迁移和胶原分泌,在体内加速感染创面愈合。本研究提供了一种将纳米材料的物理和化学抗菌模式相结合的新策略,用于改善耐药细菌感染的治疗。