天津理工大学高辉教授课题组在高分子抗菌与检测研究中取得系列研究进展
自从上个世纪20年代末英国科学家弗莱明发现青霉素至今，各种各样的抗生素相继问世。抗生素对病原微生物具有抑制或杀灭作用，是防治感染性疾病的重要药物。然而，抗生素的滥用导致了多重抗药性的产生，这早已成为一个影响全球公众健康的严峻问题。目前急需研制出一种新型有效抗菌材料来缓解“超级细菌”带来的压力。另一方面，寻找一种新型有效的细菌检测手段也成为当务之急。
基于这些需求，天津理工大学高辉教授课题组开发了基于PGMA的兼具细菌检测与抑菌活性的可生物降解高分子抗菌材料。
该研究利用正负电荷间相互作用，将聚集诱导发光单体（AIEgens）包裹在阳离子抗菌高分子内，构建了一种稳定的多功能纳米粒子。由于细菌细胞壁主要由肽聚糖构成，它的膜表面电位为负值。所以当纳米粒子遇到细菌后，电荷竞争作用会使部分AIEgens脱落，荧光强度明显下降，从而实现细菌检测（图1）。
图1. 纳米粒子遇到不同浓度金黄色葡萄球菌（左），大肠杆菌（右）后荧光强度变化
另一方面，该课题充分、巧妙地利用“异性相吸、同性相斥”原理，将高分子修饰成可生物降解的材料。在降解之前，阳离子高分子Q-PGEDA-OP凭借双季氨盐，很容易吸附到细菌表面。与此同时，高分子侧链疏水性8-C烷基链很容易插入细菌膜，使细菌膜破坏从而杀死细菌。这些特有的优点让这种材料具有很高的抗菌效率，即便是对于耐药菌依旧具有抑制作用。在发生降解之后，酯键断裂产生羧基。羧基不但会与细菌表面电荷排斥，而且可以中和掉部分季氨盐，这就使得材料的抗菌效果下降（图2）。
图2. 纳米粒子荧光检测、降解前后抗菌效果示意图
目前，已有大量的文献报道成功抑制耐药菌的事例。但在这之中鲜有考虑自身带来的耐药性，这将会增加今后耐药菌治疗的难度。而优秀的抗菌材料应该在合适的时间内发挥抗菌作用，而“临时工作”后在自然条件下降解失活，变为无活性材料。从扫描电镜测试（SEM）结果可以看出，在降解前对于细菌作用明显，细菌膜破损严重。降解之后的材料，对于细菌几乎没有作用，细菌的形态保存完好（图3）。这避免了细菌与抗菌药物长期接触，降低耐药性产生的可能。这种新型的抗菌材料未来将具有更多的应用前景。[Chem. Mater., 2018，DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b00251 ]。
图3. 金黄色葡萄球菌（上）与大肠杆菌（下）扫描电镜测试形貌
论文的第一作者为天津理工大学硕士研究生陈帅和大连理工大学陈麒先教授，通讯作者为天津理工大学高辉教授。
近年来，高辉课题组在高分子抗菌材料领域取得系列进展：（1）构建了一种以介孔硅为核包含抗生素（阿莫西林、AMO）、酶、高分子和透明质酸的生物复合纳米材料（MSN-Lys-HA-PGMA）。这种材料在体内和体外均具备高效的抗菌活性，特别是在体内对耐药细菌感染伤口具有很好的杀菌作用。[ACS Appl. Mater. Inter., 2015, 7, 17255-17263; Polym. Chem., 2018, 9, 228-235]; (2) 将b-CD和阳离子高分子偶联，并通过超分子作用与AIE分子TPEDB复合构建一种兼具细菌检测和抑制的新型抗菌剂。为细菌诊、疗提供一种新方法 [J. Mater. Chem. B, 2016, 4, 6350-6357]; (3) 使用MSN装载AMO，然后采用LBL技术吸附乙二胺修饰的PGMA（PGEDA）、CB[7]、AIE 分子四苯基乙烯的羧基衍生物（TPE-(COOH)4），构建多功能纳米聚集体 。CB[7]和TPE-(COOH)4的引入可以提高纳米复合体的生物相容性。纳米聚集体接触细菌时，细菌表面的负电荷与PGEDA的正电荷作用，使得PGEDA与TPE-(COOH)4之间的作用力减弱，TPE-(COOH)4失去AIE效应，荧光减弱。特别是：在AD的作用下，AD与CB[7]形成更加稳定的包络复合物，PGEDA解离，AMO响应性释放，抗菌活性增强。[ACS Appl. Mater. Inter. 2017, 9, 10180−10189]。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.8b00251
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