层状双金属氢氧化物基纳米复合材料的高效持久抗菌特性及其协同作用机制

发布时间：2020-09-29 20:27

　　有机抗生素的滥用,导致耐药菌问题日益严重,迫切需要开发出新的抗菌药物。为避免反复投加短效抗菌材料而引起耐药菌的出现,高效持久抗菌材料的开发迫在眉睫。有机抗菌剂针对性强,但易分解以及可能引起耐药菌的问题。无机抗菌剂具有安全持久、抗菌广谱性的特点,但针对性较弱。根据有机/无机纳米复合抗菌材料,可以弥补单一抗菌剂的不足、充分发挥各自抗菌剂的优点并形成互补的思路,本论文利用层状双金属氢氧化物(Layered double hydroxides,LDHs)层板阳离子、层间阴离子和层板氧化的可调控性,使无机过渡金属、有机抗生素、无机金属氧化物分别与无机LDHs通过简易方法复合。利用EA、XRD、FTIR和TEM/HRTEM对其相结构和形貌进行表征,并探索LDHs基纳米复合材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的高效持久抗菌效果、生物相容性及其协同抗菌机制。研究的主要结论如下:1.过渡金属M(Zn、Cu、Mn、Ni、Co)以不同的金属摩尔比(M:Al=2:1或3:1)替代类似水镁石MgAl-LDH层板中的Mg(M2A1和M3Al)。结果表明,M2A1和M3A1有明确的LDHs结构。椭球状、球状和棒状结构的Mn2Al和Mn3Al以及棒状结构的Cu2A1和 Cu3A1 具有独特的形貌。～200-1500μg/mL Cu2A1、Zn2Al、Ni2Al、Co2A1、Mn2Al 和Mn3Al具有≥50%抗菌性。Zn、Cu、Ni和Mn系LDHs对真核细胞有≥50%毒性。2.不同量的有机抗生素盘尼西林G(PG)与Zn2Al-LDH进行组装(PG/LDH),PG大部分粘附在Zn2Al-LDH表面,少量的随意插入Zn2Al-LDH层板间。PG/LDH中PG和Zn2+的释放曲线是典型的快速释放,然后持续缓慢释放。与单独的PG和原始的LDHs相比,适当的PG/LDH组合物能协同提高对大肠杆菌的抑制能力,且PG/LDH的抑菌活性可维持10天,显著延长了相同条件下单独的PG仅1天的抗菌效果。同时保持了对金黄色葡萄球菌的抗菌性能。3.以LDHs为前驱体,水热调控层板,得到含单金属氧化物LDHs纳米复合材料(MO/LDHs)。在 200℃ 2h,ZnO/LDHs 可以从 ZnAl-LDH 转变为晶体 ZnO 和 ZnAl2O4在Zn5(OH)8(NO3)2·2H2O层板上的具有～30nm均匀ZnO的纳米颗粒(Zn3Al-200-2)。Mn3Al-200-2和Zn3Al-200-2抑制了细菌的生长。Zn3Al-200-2纳米复合物在100-300μg/mL具有高效达到4天的抗菌性能。4.水热调控LDHs层板,同时改变层板上Zn2+与Cu2+比例,合成含双金属氧化物LDHs纳米复合材料(ZnxCu3_xO/LDH,x=0,1,2)。掺Zn2+的Zn2CuO/LDH和ZnCu20/LDH改变了 Cu30/LDH的棒状结构,形成片状结构。通过抗菌性能比较,～250μg/mL Cu3A1-200-2能够达到≥50%72h的持久抗菌性,ZnCu2Al-200-2在175μμg/mL达到≥50%抗菌性。5.LDHs基纳米复合材料的制备方法简易快捷,掺杂金属氧化物(MO/LDH和ZnxCu3_xO/LDH)有利于高效抗菌性能的体现,掺杂有机抗生素(PG/LDH)有利于持久抗菌性能的体现。其高效持久抗菌的机制主要是由于无机过渡金属离子、有机抗生素和无机金属氧化物的ROS与无机LDHs吸附的协同作用。随着LDHs的浓度增加,LDHs吸附的作用可能会比金属离子、有机抗生素、ROS的作用稍强。本文的研究结果揭示了简易制备调控的LDHs基纳米复合材料具有高效持久的抗菌性能,为进一步研究具有经济型LDHs基材料在避免耐药菌方面的工作奠定了一定的理论基础,积累了一些实验经验。
【学位单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

作用机制,金属离子,细菌,抗菌材料

现Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ络合的可溶性维生素Ｋ３氨基硫脲的抗菌性能明显比单独的氨逡逑基硫脲的抗菌性能优良。逡逑无机金属型抗菌材料可能的抗菌机理，如图１－２所示。无机金属抗菌材料在细菌表逡逑面时，溶解金属离子，破坏细菌壁固有成分导致其破裂，使细胞质组分流失１１８＇邋１９］；金逡逑属离子会穿透细胞壁进入细胞内部，穿透细胞内的金属离子使蛋白质失活，破坏细菌逡逑ＤＮＡ的结构而导致细菌死亡ｔ２Ｇ］。逡逑３逡逑

光作用,失活,细菌,机制

１２ｍｍｏｌ／Ｌ时，能够对大肠杆菌达到１００％的抗菌作用。Ａｍｅｅｒ邋Ａｚａｍ等［３（）１通过溶胶凝胶逡逑方法合成ＺｎＯ、ＣｕＯ、Ｆｅ２0３并比较其抗菌性能，结果表明ＺｎＯ的效果最优。逡逑无机金属氧化物型抗菌材料以ＺｎＯ为例探究其抗菌机理。如图１－３，充满电子的低逡逑能价带（ＶＢ）和空的高能导带（ＣＢ）构成半导体的能带结构，禁带存在于价带和导带之逡逑间［３１］。在水和空气体系中，当２半导体带隙能的光波辐射半导体时，会激发处于价带的逡逑电子到导带上产生ｅＣＢ？，空穴（ｈＶＢ＋）从而在价带上产生（公式（１－１）），导带电子（ｅ00使逡逑空气中的氧还原产生超氧阴离子（？00邋（公式（１－２））［３１］，价带空穴（ｈＶＢ＋）使吸附水氧逡逑化生成羟基自由基（ＯＨ）和Ｈ＋（公式（１－３）），＜Ｖ和Ｈ＋生成ＨＯ／邋（公式（１－４）），Ｈ０２＿和逡逑＃、６NB反应生成出０２（公式（１－５））。＊０２＿由于负电性，不能进入细胞内部，因此存在逡逑于细菌的外表面，与细胞壁发生生化反应，进行抗菌作用［３２］。＊＃俊ⅲ保保玻埃病ⅲ蓿保埃玻叨加校]3?很强的氧化能力

示意图,共沉淀法合成,团聚体,碱溶液

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