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研究摘要

耐藥細(xì)菌的出現(xiàn)已成為全球日益嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問(wèn)題。其中，耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）會(huì)導(dǎo)致高發(fā)病率和死亡率?，F(xiàn)有的抗菌方法仍然存在著易導(dǎo)致新的耐藥性產(chǎn)生、材料合成復(fù)雜、純化難度大和成本高等問(wèn)題，因此急需開(kāi)發(fā)出一種安全、高效、低成本的抗菌藥物。生物體內(nèi)的溶菌酶能夠催化肽聚糖中N-乙酰胞壁酸和N-乙酰-D-氨基葡萄糖殘基之間的β-1，4-鍵的水解，從而表現(xiàn)出抗菌能力。溶菌酶可以減緩抗生素過(guò)量使用引起的細(xì)菌耐藥性，然而，作為生物大分子，溶菌酶的穩(wěn)定性和抗菌活性會(huì)受到環(huán)境的影響，酶的固定化方法應(yīng)運(yùn)而生。

新型二維納米材料MXene具有良好的生物相容性和光熱轉(zhuǎn)換能力，是酶固定化的良好載體。豐富的表面官能團(tuán)（-OH，=O和-F）賦予MXene大量的錨定位點(diǎn)。此外， Ti3C2?MXene的優(yōu)異光熱轉(zhuǎn)換性能可以實(shí)現(xiàn)光熱殺菌，在激光照射下，局部溫度的迅速升高對(duì)細(xì)胞膜和蛋白質(zhì)造成極大的破壞，導(dǎo)致細(xì)菌的死亡。與傳統(tǒng)的抗菌方法相比，光熱抗菌方法具有快速、高效、無(wú)創(chuàng)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。此外，多項(xiàng)領(lǐng)域內(nèi)的研究表明MXene在生物分子的生物界面工程和酶固定化方面具有潛力。然而，以前發(fā)表的研究?jī)A向于將MXene與納米材料（如貴金屬納米顆粒）結(jié)合后用于抗菌，但納米材料表現(xiàn)出一定的毒性，不利于實(shí)際應(yīng)用。此外，還沒(méi)有將酶固定在MXene納米片上進(jìn)行抗菌研究的相關(guān)報(bào)道。

成果簡(jiǎn)介

近期，華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院孫大文教授課題組構(gòu)建了一個(gè)基于MXene生物界面工程的光熱納米抗菌材料，通過(guò)激光對(duì)溶菌酶的活性進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控，從而有效殺滅MRSA。單層Ti3C2?MXene通過(guò)聚多巴胺（PDA）表面化學(xué)進(jìn)行功能化，以增強(qiáng)光熱效應(yīng)和穩(wěn)定性，在此過(guò)程中溶菌酶通過(guò)分子間靜電親和力固定在這種二維雜化界面上。合成的納米材料（記為M@P@Lyso）光熱轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到46.88%，在實(shí)現(xiàn)溶菌酶的固定化的同時(shí)，通過(guò)激光調(diào)控使局部溫度升高，激活溶菌酶的殺菌活性。體外和體內(nèi)抗菌實(shí)驗(yàn)表明，M@P@Lyso能有效抑制MRSA的增殖，加速小鼠傷口愈合，并且具有優(yōu)異的生物相容性。M@P@Lyso優(yōu)異的抗菌活性應(yīng)歸因于多重殺菌機(jī)制的協(xié)同作用，即光熱促進(jìn)溶菌酶生物催化活性、M@PDA產(chǎn)生的局部過(guò)熱效應(yīng)以及納米片的物理切割效應(yīng)。該研究提出了一種基于MXene的通過(guò)遠(yuǎn)程控制激光照射來(lái)增強(qiáng)溶菌酶殺菌效果的方法，為研發(fā)高穩(wěn)定性、高活性抗菌納米復(fù)合物及推廣應(yīng)用提供了技術(shù)參考。

該成果在線(xiàn)發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊Chemical Engineering Journal?（影響因子16.744）上，題目為：Bio-interface Engineering of MXene Nanosheets with Immobilized Lysozyme for Light Enhanced Enzymatic Inactivation of Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus。? ??? ?

圖文導(dǎo)讀

圖1.?溶菌酶在MXene上的生物界面工程化及光熱增強(qiáng)下對(duì)MRSA殺菌示意圖。

圖2.?合成納米材料的表征。MXene，M@PDA and M@P@Lyso16的A）FTIR光譜，B）Zeta電位和C）XPS圖譜。D）MXene，E）M@PDA和F）M@P@Lyso的TEM照片。G）100 μg/mL的MXene，M@PDA and M@P@Lyso16在水中的穩(wěn)定性照片。MXene，M@P@Lyso4，M@P@Lyso8，M@P@Lyso12 and M@P@Lyso16的H）XRD 圖譜和I）Raman 光譜。

圖3.?電磁屏蔽性能。a-c）EMI SE，SET、SEA和SER的比較，以及相同厚度為40μm的MF-2、MSF-2、MCF-2、MCSF-10的電導(dǎo)率。d，i）EMI SE，e）電導(dǎo)率，f）圖像，h）MCSF-5、MCSF-10、MCSF-15、MCSF-20、MCSF-25、MCSF-30的SET、SEA和SER的比較。j） 比較作為厚度函數(shù)的特征EMI屏蔽效能。

圖4.?合成納米材料的體外抗菌活性。A）不同溫度下溶菌酶的抑菌率（n = 3）。B）游離與固定化溶菌酶（即M@P@Lyso）無(wú)光照10 min處理后的細(xì)菌存活率（n = 3）。C）MRSA與不同納米材料（50 μg/mL）孵育的菌懸液在808 nm激光照射下的溫度變化曲線(xiàn)。D）LB瓊脂平板上細(xì)菌菌落的照片。E）不同處理后MRSA的細(xì)菌存活率。PBS作為對(duì)照組。F）不同處理的MRSA的代表性SEM圖像。G）不同處理后MRSA的細(xì)胞活/死測(cè)定的熒光圖像。比例尺:50 μm。

圖5.?M@P@Lyso+NIR的體內(nèi)抗菌性能研究。A）小鼠傷口模型建立示意圖。B）不同處理治療后的小鼠的傷口照片，以PBS處理組為對(duì)照組，比例尺：3 mm。C）不同處理下小鼠的相對(duì)傷口面積。D）不同處理后小鼠傷口組織的H&E染色的組織學(xué)圖像。比例尺：1.25 mm。

圖6. 體外和體內(nèi)生物安全性分析。A）用不同濃度（0，50，100，150，200和300 μg/mL）M@PDA和M@P@Lyso處理3T3細(xì)胞后的相對(duì)細(xì)胞存活率。B）M@PDA和M@P@Lyso的溶血率及光學(xué)照片。C）不同處理組小鼠的體重變化曲線(xiàn)。

總結(jié)

本文利用MXene和PDA組成的復(fù)合光熱納米平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)溶菌酶的固定化，并通過(guò)MXene和PDA的光熱效應(yīng)增強(qiáng)溶菌酶活性，從而實(shí)現(xiàn)高效殺菌。合成的M@P@Lyso納米復(fù)合材料中，M@PDA優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換能力為溶菌酶活性的遠(yuǎn)程調(diào)控提供了可能性。更重要的是，體外和體內(nèi)抗菌結(jié)果表明，M@P@Lyso+NIR對(duì)MRSA可以實(shí)現(xiàn)約98%的殺菌率，促進(jìn)小鼠傷口愈合，并具有良好的生物相容性?？傊@項(xiàng)工作提出了一種通過(guò)刺激響應(yīng)酶納米平臺(tái)以解決細(xì)菌耐藥性威脅的方法，為MXene在抗菌領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路。