本書以二維黑磷(BP)為主要研究對象,介紹了作者構建的多種黑磷基材料及其在抗菌領域的應用,具體包括采用堿性溶劑剝離法制備了薄層BPNs,通過實驗和測試證明了其良好的生物相容性和血液相容性、探究了其抗菌行為和機理,并發(fā)現其還可有效避免細菌耐藥性;設計合成了可用于血液消毒領域的BP基磁性復合抗菌材料,通過實驗驗證了其強磁性和可磁性回收性;構建了可促進致病菌感染型傷口快速愈合的BP基細胞膜模擬物并探究了其刺激響應的抗菌行為;設計合成了可用于細菌靶標、成像及抗感染治療的二維BP基多功能抗菌材料,通過實驗驗證了其良
1.本書主要介紹了通過剝離單純BPNs及構建多種復合及多功能抗菌材料對二維BP基抗菌材料在生物醫(yī)用領域尤其是抗菌方向的應用進展,闡明了二維BP材料的抗菌和抗耐藥性機制,大大豐富了其在醫(yī)用領域的應用范圍。
2.本書研究目標明確,對國內外該領域發(fā)展現狀的歸納總結全面,評述怡當,有助于專業(yè)讀者掌握本領域的發(fā)展動態(tài)和趨勢。
3.采用計算模擬的方法開展的研究對闡明抗菌機理及抗菌材料的開發(fā)應用具有一定的指導作用,對抗菌材料的發(fā)展具有推動作用。
當今社會,由致病菌入侵引發(fā)的感染性疾病仍然嚴重威脅著人類的生命健康。雖然隨著公共衛(wèi)生和生物醫(yī)學技術的發(fā)展,許多細菌感染已被有效地抑制甚至征服,但微生物入侵造成的發(fā)病率和死亡率一直居高不下。尤其是由于抗生素的過度使用和耐藥基因在細菌種群之間的快速轉移,致病菌正以驚人的速度對傳統(tǒng)抗生素產生耐藥性。因此,相關領域的研究人員正在嘗試開發(fā)多種方法(如開發(fā)新型抗菌劑、設計多種衍生化結構、探索新途徑等)來提高對病原菌的抗菌效率。在眾多抗菌材料中,二維黑磷(BP)憑借直接帶隙半導體、廣譜的光學響應性和高生物相容性等優(yōu)異特性成為二維材料家族中的新星,尤其是其生物降解性被認為是解決細菌耐藥性的可行策略之一,這成為BP 優(yōu)于其他抗菌材料的重要原因。然而BP 的殺菌效率、機理及多功能協同應用等方向尚未明確。
在此背景下,本書以BP 為主要研究對象,通過對單純黑磷納米片(BPNs)及BP 基抗菌功能復合材料的設計合成,闡明了BP 在生物醫(yī)用尤其是抗菌領域的作用效果,并深入探究了其對多菌種、多介質等條件下的抗菌效率、抗菌機理、生物相容性及功能應用等。具體研究內容如下。
①采用堿性溶劑剝離法,成功制備了薄層BPNs。體外抗菌測試證明了其層數、濃度、作用時間和光照強度依賴的抗菌行為和高效的抗菌活性。體外細胞毒性測試及對線蟲生長繁殖的影響探究表明了其良好的生物相容性。溶血性測試證明了其優(yōu)異的血液相容性。同時采取活性氧檢測、染料降解、活性氧捕獲及透析實驗探究了其抗菌行為,闡明了其光動力及物理殺菌結合的協同抗菌機理。此外,利用對BP 的降解性能研究證實了其降解速率、降解程度及降解產物,并通過為期60 天的耐藥性測試發(fā)現了BP 可以在高效抗菌的同時有效避免細菌耐藥性的產生。以上結論通過實驗和理論計算的方式進行了充分驗證。
②設計合成了高分子N-鹵胺改性的BP 基磁性復合抗菌材料(BP-Fe3O4@PEI-pAMPS-Cl),并探究了其在血液消毒中的應用。以BP 為基底,通過靜電相互作用先后與可循環(huán)抗菌的高分子N-鹵胺與可磁性回收的Fe3O4 納米顆粒復合,制得了產物BP-Fe3O4@PEI-pAMPS-Cl。利用碘量法及循環(huán)實驗證實了產物中活性氯的存在及可反復“充電”的再生能力,利用磁滯回線、浸出實驗等方式驗證了產物的強磁性和穩(wěn)定的可磁性回收性。BP-Fe3O4@PEI-pAMPS-Cl 的體外抗菌效率及循環(huán)抗菌實驗結果表明其優(yōu)異的協同抗菌性及20 次循環(huán)穩(wěn)定性。此外,在靜態(tài)血液和不同血流量下循環(huán)血液的抗菌測試及對殺菌后的血液的溶血率、凝血時間和血成分分析均證明了其在血液消毒領域的巨大應用前景。
③受內毒素釋放行為啟發(fā),構建了一種BP 基細胞膜模擬物(BP-PQVI),并探究了其刺激響應的抗菌行為。利用BP 與細胞膜的相似性,并通過刺激響應型的靜電相互作用在BP 表面引入抗菌性季銨鹽(PQVI),從而模擬內毒素在細胞膜表面的刺激響應釋放行為。通過對BP-PQVI 的元素含量、表面電位及厚度等的調控實現了對細胞膜的模擬。并通過理論和實驗的探究發(fā)現BP 和PQVI 之間的靜電相互作用可在金屬離子、其他競爭作用、溫度和pH 值的刺激下發(fā)生解離,從而較好地實現了對類內毒素釋放行為的模擬。此外,靜電相互作用的刺激響應性使得PQVI 的釋放行為有效可控,因而使得該細胞膜模擬物具有刺激響應的可控性抗菌行為、抗菌效率高且可促進致病菌感染型傷口部位的快速愈合。
④設計合成了Eu3+/ 糖雙功能改性的二維BP 基多功能抗菌材料(MAG/ VAE@SiO2-BP),可用于細菌的靶標、成像及抗感染治療。通過St.ber 法制備SiO2 微球,并采用自由基聚合的方法將Eu3+(熒光成像)和糖(特異性靶向細菌)修飾在SiO2 微球表面,再利用Eu3+ 和BP 之間形成P-Eu 配位鍵,最終復合制備MAG/VAE@SiO2-BP。通過發(fā)光性能測定證實了MAG/ VAE@SiO2-BP 中Eu3+ 的強烈特征發(fā)射及熒光特性。經與細菌共培養(yǎng),證實了MAG/VAE@SiO2-BP 可特異性靶標E. coli K12,使E. coli K12 呈現清晰的紅色熒光。體外殺菌實驗進一步證明了MAG/VAE@SiO2-BP 對大腸桿菌(E. coli K12)具有良好的靶向殺菌能力,明顯優(yōu)于金黃色葡萄球菌(S. aureus )。
⑤制備了一種BP 基導電水凝膠,利用其電刺激智能釋放特性用于創(chuàng)口愈合治療。選用透明質酸(HA)和多巴胺(DA)為原料,通過酰胺化反應成功制得HA-DA 水凝膠前驅體,再利用Fe3+ 與DA 的鄰苯二酚基團間的配位作用,制備了HA-DA 水凝膠,再向水凝膠體系引入BP 得到BP 基導電水凝膠(HA-DA@BP)。通過對HA-DA 的添加量和pH 值的調控實驗,發(fā)現在電刺激下水凝膠的機械性能增強,可實現在堿性環(huán)境下成膠、在微酸性環(huán)境中降解的目的,同時經過對水凝膠降解過程的監(jiān)測發(fā)現水凝膠體系中的BP 可有效和持續(xù)釋放。通過對電導率的測定表明了BP 的引入使得水凝膠具有優(yōu)異的導電性能。采用體外細胞毒性和抗菌檢測實驗證明了BP 可在微酸和電刺激下從水凝膠中釋放,不會對正常細胞的存活率產生影響,且可以達到協同的抗菌性能,還能夠促進創(chuàng)口的快速愈合。
本書在撰寫過程中得到了內蒙古大學董阿力德爾圖教授的指導與幫助,在此表示感謝。限于撰寫時間及水平,書中不妥及疏漏之處在所難免,敬請讀者批評指正。
劉溫馨
2022年7月
劉溫馨,內蒙古大學博士,現內蒙古民族大學化學與材料學院講師,博士在讀期間在BP基生物醫(yī)用抗菌功能材料的設計合成與性能調控方面積累了豐富的研究經驗,在Advanced Science、Chemical Engineering Journal、Journal of Hazardous Materials、Chemistry-A European Journal、ACS Applied Materials & Interfaces、Colloid and Interface Science Communications等國際學術期刊上以一作或共同一作身份發(fā)表SCI論文6篇;參與了自然科學基金項目,開展了微生物污染控制技術相關領域的研究工作,積累了豐富的科研經驗,并取得了階段性的成果。
第1章 緒論 001
1.1 引言 002
1.2 抗菌劑的研究背景 005
1.2.1 單一抗菌劑 005
1.2.2 復合抗菌劑 010
1.2.3 多功能抗菌劑 012
1.3 二維材料概述與分類 014
1.3.1 概述 014
1.3.2 第四主族元素二維材料 017
1.3.3 第五主族元素二維材料 020
1.3.4 二維抗菌材料 024
1.4 二維黑磷的研究背景 027
1.4.1 概述 027
1.4.2 剝離方法 028
1.4.3 BP 抗菌劑的優(yōu)勢 032
1.4.4 殺菌機理及應用 034
1.5 二維黑磷在抗菌領域的應用研究意義 037
1.6 本書內容組織構架 038
參考文獻 039
第2章 二維黑磷納米片的剝離及其抗菌作用機制研究 057
2.1 引言 058
2.2 實驗部分 059
2.2.1 試劑與儀器 059
2.2.2 BPNs 的剝離 061
2.2.3 細菌培養(yǎng)基的配制 061
2.2.4 固體培養(yǎng)基的灌制 062
2.2.5 細菌的活化與擴大培養(yǎng) 062
2.2.6 BPNs 的抗菌性能測試 063
2.2.7 細菌的形貌測定 063
2.2.8 BPNs 的細胞毒性和溶血性測試 064
2.2.9 1,3-二苯基異苯并呋喃的降解實驗 066
2.2.10 活性氧捕獲抗菌實驗 066
2.2.11 透析袋實驗 066
2.2.12 BPNs 的降解實驗 067
2.2.13 細菌的耐藥性測試 067
2.2.14 理論計算 067
2.3 結果與討論 068
2.3.1 BPNs 的制備表征 068
2.3.2 BPNs 的抗菌性能表征 072
2.3.3 BPNs 的生物相容性和毒性表征 077
2.3.4 BPNs 與其他二維材料的抗菌及毒性對比測試 081
2.3.5 BPNs 的抗菌機理探究 082
2.3.6 BPNs 的生物降解性表征 087
2.3.7 BPNs 的耐藥性探究 090
2.3.8 理論計算模擬探究 091
2.4 本章小結 096
參考文獻 097
第3章 高分子N-鹵胺改性黑磷基磁性抗菌材料的制備及其在血液消毒中的應用研究100
3.1 引言101
3.2 實驗102
3.2.1 試劑與儀器 102
3.2.2 BPNs 的剝離 104
3.2.3 pAMPS 的合成 104
3.2.4 pAMPS-Cl 的合成 104
3.2.5 Fe3O4@PEI 的制備 105
3.2.6 BP-Fe3O4@PEI-pAMPS-Cl 的制備 105
3.2.7 有效氯的測定 105
3.2.8 BP-Fe3O4@PEI-pAMPS-Cl 的抗菌性能檢測 106
3.2.9 循環(huán)殺菌能力測試 106
3.2.10 靜態(tài)血液的抗菌檢測 107
3.2.11 動態(tài)血液的抗菌檢測 107
3.2.12 血液成分分析 108
3.2.13 溶血性測試 108
3.2.14 細胞毒性測試 108
3.2.15 凝血時間測定 109
3.3 結果與討論109
3.3.1 Fe3O4@PEI 的表征 109
3.3.2 pAMPS-Cl 的制備及氯化表征 110
3.3.3 BP-Fe3O4@PEI-pAMPS-Cl 的結構及粒徑表征 114
3.3.4 磁性及可回收性能檢測 119
3.3.5 殺菌性能及循環(huán)抗菌測定 121
3.3.6 BP-Fe3O4@PEI-pAMPS-Cl 在靜態(tài)和動態(tài)血液中的殺菌能力 126
3.3.7 血液生化指標表征 128
3.4 本章小結131
參考文獻 132
第4章 受內毒素釋放行為啟發(fā)的黑磷基細胞膜模擬物的構建及其刺激響應抗菌行為研究136
4.1 引言137
4.2 實驗部分139
4.2.1 試劑與儀器 139
4.2.2 BPNs 的剝離制備 141
4.2.3。跴QVI]Br 的合成 141
4.2.4 BP-PQVI 的制備 141
4.2.5 BP-BG 的制備 141
4.2.6 UV 檢測BP-BG 的分解 142
4.2.7 Zeta 電位檢測BP-BG 的分解 142
4.2.8 理論計算 142
4.2.9 BP-PQVI 的抗菌測試 143
4.2.10 BP-PQVI 在外界刺激下的抗菌能力檢測 143
4.2.11 最小抑菌濃度測定 143
4.2.12 活/ 死細胞檢測 144
4.2.13 細菌形貌的測定 144
4.2.14 小鼠創(chuàng)口愈合實驗 144
4.3 結果與討論145
4.3.1 BP-PQVI 的制備表征 145
4.3.2 BP-PQVI 用于模擬細胞膜的調控 149
4.3.3 BP 基細胞膜模擬物的可控釋放行為 153
4.3.4 BP 基細胞膜模擬物的可控釋放行為的理論計算探究 157
4.3.5 BP-PQVI 的抗菌性及可控殺菌能力的測定 161
4.3.6 小鼠表皮創(chuàng)口感染的愈合測試 165
4.4 本章小結170
參考文獻 171
第5章 Eu3+/ 糖雙功能改性二維黑磷用于細菌的靶標、成像及抗感染治療175
5.1 引言176
5.2 實驗部分178
5.2.1 試劑與儀器 178
5.2.2 SiO2 微球的制備 180
5.2.3 TPM@SiO2 微球的制備 180
5.2.4 MAG 的合成 181
5.2.5 MAG/VAS@SiO2 的制備 181
5.2.6 EuCl3 的制備 181
5.2.7 MAG/VAE@SiO2 的制備 182
5.2.8 MAG/VAE@SiO2-BP 的制備 182
5.2.9 MAG/VAE@SiO2-BP 的熒光發(fā)射光譜測定 182
5.2.10 MAG/VAE@SiO2-BP 在菌液中的發(fā)光性能測定 182
5.2.11 熒光成像能力的檢測 182
5.2.12 不同濃度混合菌中靶向成像能力的檢測 183
5.2.13 殺菌能力的測定 183
5.2.14 細菌形貌分析 184
5.3 結果與討論184
5.3.1 MAG/VAE@SiO2-BP 的制備表征 184
5.3.2 發(fā)光性能表征 190
5.3.3 細菌的靶向及選擇性成像能力表征 193
5.3.4 驗證靶向殺菌來源 195
5.3.5 驗證MAG/VAE@SiO2-BP 的可控及靶向殺菌能力 196
5.4 本章小結199
參考文獻 201
第6章 黑磷基導電水凝膠的制備及在創(chuàng)口處的電刺激智能黑磷釋放行為的研究203
6.1 引言204
6.2 實驗部分206
6.2.1 試劑與儀器 206
6.2.2 HA-DA 的制備 207
6.2.3 HA-DA 水凝膠的配制 207
6.2.4 HA-DA@BP 水凝膠的配制 208
6.2.5 HA-DA 水凝膠中DA 含量的檢測 208
6.2.6 不同pH 值下HA-DA 水凝膠溶脹率的測定 208
6.2.7 HA-DA 和HA-DA@BP 水凝膠機械性能的測定 209
6.2.8 水凝膠降解過程中電導率的測定 209
6.2.9 電刺激下水凝膠的降解程度的檢測 209
6.2.10 HA-DA 及HA-DA@BP 水凝膠的穩(wěn)定性測定 210
6.2.11 HA-DA@BP 水凝膠降解后BP 的釋放檢測 210
6.2.12 細胞毒性的測定 210
6.2.13 水凝膠的電刺激殺菌能力測定 210
6.2.14 水凝膠促進傷口愈合能力的檢測 211
6.3 結果與討論212
6.3.1 HA-DA 水凝膠中DA 含量的測定 212
6.3.2 HA-DA 水凝膠的成膠狀態(tài)調控 213
6.3.3 HA-DA@BP 水凝膠的成膠狀態(tài)調控 219
6.3.4 水凝膠的導電能力的表征 221
6.3.5 水凝膠的降解性能探究 222
6.3.6 水凝膠在模擬創(chuàng)口環(huán)境下的導電率的變化 227
6.3.7 BP 的釋放表征 227
6.3.8 水凝膠細胞毒性及電殺菌性表征 229
6.3.9 水凝膠促進傷口愈合能力的表征 231
6.4 本章小結235
參考文獻 237
第7章 總結與展望241
7.1 總結242
7.2 展望244