新型二維層狀納米材料的抗菌研究進(jìn)展

周 璇，鄭云飛，賈綺林，張斐然

(北京大學(xué)口腔醫(yī)院，北京 100081)

抗生素作為20世紀(jì)醫(yī)學(xué)史上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，迄今為止已經(jīng)挽救了無(wú)數(shù)人的生命。但是由于近年來(lái)人們對(duì)抗生素使用的認(rèn)知不足，抗生素濫用情況嚴(yán)重，全球每年約70萬(wàn)人死于抗生素耐藥。抗生素的耐藥機(jī)制主要包括兩方面：第一，通過(guò)抗生素靶標(biāo)基因的突變來(lái)降低藥物與靶標(biāo)蛋白的親和力；第二，通過(guò)外排泵的過(guò)表達(dá)、細(xì)菌質(zhì)膜通透性的改變或者產(chǎn)生滅活抗生素的酶來(lái)降低細(xì)胞內(nèi)抗生素的濃度[1]。針對(duì)抗生素耐藥的現(xiàn)狀，根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)的報(bào)道，如果耐藥菌無(wú)法得到很好的控制，預(yù)計(jì)到2050年由抗生素耐藥導(dǎo)致的死亡人數(shù)將增加至每年1000萬(wàn)人[2]。上述事實(shí)表明新型抗菌藥物的開(kāi)發(fā)刻不容緩，而隨著生物納米技術(shù)的發(fā)展，二維層狀納米材料有望成為處理耐藥菌的替代選擇。

二維層狀納米材料是指在某一維度厚度為0.1～100 nm，而在另一維度上可以無(wú)限延伸的材料，主要包括石墨烯及其衍生物(GMs)、過(guò)渡金屬硫化物(TMDs)、層狀雙氫氧化物(LDHs)及MXenes等[3]。二維層狀納米材料與其他零維或者塊狀材料相比，在抗菌應(yīng)用上具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。首先，二維層狀納米材料具有超大的比表面積，可以作為抗菌藥物的合適載體。其次，二維納米材料具有出色的電子、光學(xué)及熱學(xué)性能，使其可以通過(guò)物理或化學(xué)途徑殺滅細(xì)菌，大大降低細(xì)菌耐藥性的產(chǎn)生。本文通過(guò)對(duì)各類二維層狀納米材料抗菌活性及抗菌機(jī)制的闡述，旨在幫助促進(jìn)具有高抗菌活性和出色生物安全性的新型二維層狀納米材料的進(jìn)一步研發(fā)。

1 石墨烯及其衍生物的抗菌研究進(jìn)展

石墨烯是由許多sp2雜化碳原子組成的具有六角形晶體結(jié)構(gòu)的二維納米片層，其單層厚度僅有0.335 nm[4]。在石墨烯及其衍生物的研究中，目前以氧化石墨烯(GO)和還原氧化石墨烯(rGO)作為抗菌材料居多。氧化石墨烯(GO)的sp2碳片層結(jié)構(gòu)和含氧官能團(tuán)(如羧基，羥基和環(huán)氧基)使其具有特別的物理化學(xué)性能，如優(yōu)異的導(dǎo)熱性、電子傳遞特性和光學(xué)特性，高比表面積、高催化活性等[5]。因此石墨烯材料在抗菌領(lǐng)域具有極好的應(yīng)用前景。

Liu等[6]以大腸桿菌作為指示菌種，評(píng)估4種石墨基材料——石墨(Gt)、氧化石墨(GtO)、氧化石墨烯(GO)和還原氧化石墨烯(rGO)的抗菌性能。結(jié)果表明，在相同條件下，等濃度(40 μg/mL)的Gt，GtO，GO和rGO與大腸桿菌共孵育時(shí)，氧化石墨烯(GO)表現(xiàn)出最高的抗菌活性(69.3%)，且石墨烯基材料的抗菌活性與其濃度呈正相關(guān)，隨著GO或rGO濃度的增加，大腸桿菌的活力逐漸降低。掃描電鏡圖像顯示，當(dāng)細(xì)菌與GO或rGO直接接觸后，細(xì)菌胞膜表面即產(chǎn)生膜應(yīng)力，從而導(dǎo)致細(xì)菌胞膜結(jié)構(gòu)破壞、細(xì)胞內(nèi)容物泄漏。此外，在氧化應(yīng)激實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)這4種材料均可以氧化谷胱甘肽,但未檢測(cè)到活性氧(ROS)的產(chǎn)生，且電導(dǎo)率高的rGO和Gt比絕緣的GO和GtO具有更好的氧化能力。因此，作者提出石墨烯基材料的“三步”抗菌機(jī)制：首先細(xì)菌黏附于材料表面，然后通過(guò)石墨烯納米片的銳利邊緣刺破細(xì)胞膜，最后通過(guò)氧化應(yīng)激反應(yīng)破壞細(xì)菌的重要組分而導(dǎo)致細(xì)菌死亡。

石墨烯的抗菌活性源于其特有的理化特性，故其抗菌性受多種因素的影響，例如石墨烯基材料的橫向尺寸、層數(shù)、表面化學(xué)性質(zhì)等。目前已提出的抗菌機(jī)制主要包括物理殺菌和化學(xué)氧化應(yīng)激殺菌。

Tu等[7]從分子動(dòng)力學(xué)角度展示了石墨烯誘導(dǎo)的大腸桿菌細(xì)胞膜破裂的兩種物理作用機(jī)制：(1)通過(guò)納米片邊緣直接的物理切割；(2)通過(guò)破壞性地提取脂質(zhì)分子，即懸浮在細(xì)菌胞膜上方的石墨烯納米片可以在幾十到幾百納秒內(nèi)插入到大腸桿菌的內(nèi)外膜中，通過(guò)大量提取細(xì)菌胞膜中的磷脂成分而使細(xì)菌迅速裂解死亡。除了邊緣切割及提取脂質(zhì)分子作用外，石墨烯納米片的平面在抗菌過(guò)程中也起著至關(guān)重要的作用。例如，巨大的石墨烯基納米片通過(guò)包裹細(xì)菌使其與外界養(yǎng)分隔絕而達(dá)到滅菌效果。Liu等[8]研究了氧化石墨烯(GO)的橫向尺寸對(duì)大腸桿菌抗菌活性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，GO納米片的抗菌能力與其橫向尺寸大小呈正相關(guān)，橫向尺寸較大的GO納米片顯示出更強(qiáng)的抗菌活性。較大尺寸的GO納米片(40 μg/mL)與大腸桿菌孵育1 h即可導(dǎo)致89%的細(xì)菌死亡。作者還發(fā)現(xiàn)具有不同橫向尺寸的GO納米片對(duì)谷胱甘肽的氧化能力是相似的，這表明不同大小的GO納米片的抗菌能力不是由其氧化能力的差異所決定。在原子力顯微鏡下觀察到較大的GO納米片更容易覆蓋細(xì)胞，細(xì)菌被完全覆蓋后即與外界環(huán)境隔離開(kāi)來(lái)，導(dǎo)致其營(yíng)養(yǎng)被剝奪從而無(wú)法增殖；而較小的GO納米片無(wú)法有效地將細(xì)菌與環(huán)境隔離，因此抗菌活性較低。此外，石墨烯基材料的層數(shù)也影響其抗菌性能。Mangadlao等[9]使用Langmuir-Blodgett(LB)技術(shù)將GO納米片逐層沉積于聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)基板上，觀察到材料的抗菌活性隨著層數(shù)的增加而增加，相較于二層和單層，三層GO納米片表現(xiàn)出最高的抗菌活性(89%)。作者認(rèn)為通過(guò)LB技術(shù)將包含邊緣在內(nèi)的整個(gè)GO納米片固定于基板表面，消除了其刺穿和包裹細(xì)菌的可能性，因此該研究中的GO抗菌活性主要依賴于納米片平面的殺菌特性。Dallavalle等[10]從分子動(dòng)力學(xué)角度說(shuō)明了較大的石墨烯納米片平面可直接鋪展于細(xì)胞膜表面，造成脂質(zhì)分子被翻轉(zhuǎn)從而對(duì)胞膜造成破壞。

由于石墨烯材料具有高比表面積，在低能量激光照射后具有優(yōu)異的光催化活性，不僅能夠高效地將光能轉(zhuǎn)換為熱能，同時(shí)還能產(chǎn)生活性氧，達(dá)到光熱和光動(dòng)力協(xié)同殺菌的效果。且細(xì)菌無(wú)法通過(guò)對(duì)納米小分子的攝取減少或者外排增加來(lái)抵抗石墨烯基材料的抗菌作用，因此光動(dòng)力和光熱抗菌治療相對(duì)比于傳統(tǒng)的抗生素療法更不易產(chǎn)生耐藥性。Tan等[16]研究了在低能量激光的照射下，還原型氧化石墨烯/銀(rGO/Ag)復(fù)合納米材料對(duì)大腸桿菌及多重耐藥菌肺炎克雷伯氏菌的抗菌性能及其機(jī)制。結(jié)果顯示，在未經(jīng)激光照射的rGO/Ag復(fù)合納米材料治療的組中，大腸桿菌的生存率僅降低到約35%；而在激光照射后，大腸桿菌的生存率降低到約1.8%。當(dāng)rGO/AgNPs溶液暴露于激光照射10 min后，溶液的溫度迅速升高。在熒光核酸染料標(biāo)記受損菌膜的實(shí)驗(yàn)中顯示在引入rGO/Ag納米復(fù)合材料的光熱效應(yīng)時(shí)，細(xì)菌胞膜受損更明顯。特定濃度的rGO/Ag復(fù)合納米材料可通過(guò)光熱效應(yīng)達(dá)到100%殺滅大腸桿菌和肺炎克雷伯氏菌的效果。最近，Romero等[17]研究了在波長(zhǎng)為630 nm的LED光下GO的抗菌光動(dòng)力和光熱效應(yīng)。作者通過(guò)DPBF檢測(cè)證實(shí)了GO在光激發(fā)下產(chǎn)生大量單線態(tài)氧(1O2)，同時(shí)在光熱溫度測(cè)量中證實(shí)了在65 mW/cm2的光照射約16 min時(shí)GO水溶液可達(dá)到55～60 ℃。在光熱效應(yīng)(PTT)/光動(dòng)力效應(yīng)(PDT)的雙重作用下，高劑量光照后GO可達(dá)到完全消除大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的效果。

綜上所述，石墨烯及其衍生物的抗菌機(jī)制可以總結(jié)為以下5點(diǎn)[18]：(1)物理切割途徑，即細(xì)菌與石墨烯基材料直接接觸后，材料鋒利的片層刺穿細(xì)菌胞膜，引起細(xì)胞內(nèi)容物的流出，而殺死細(xì)菌；(2)氧化應(yīng)激途徑，即細(xì)胞膜與石墨烯基材料直接接觸后，通過(guò)電荷的轉(zhuǎn)移或ROS的產(chǎn)生，刺激自由基反應(yīng)，從而破壞細(xì)菌的膜結(jié)構(gòu)及重要的生物大分子而死亡；(3)破壞脂質(zhì)分子途徑，即石墨烯納米片可在短時(shí)間內(nèi)插入細(xì)菌胞膜中，抽取其中的磷脂成分，或者直接鋪展于胞膜表面引發(fā)脂質(zhì)分子翻轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致細(xì)菌裂解死亡；(4)營(yíng)養(yǎng)剝奪途徑，即大面積的石墨烯基納米片覆蓋在細(xì)菌表面，通過(guò)“包裹”的方式使細(xì)菌與周圍環(huán)境隔離，造成營(yíng)養(yǎng)剝奪，從而抑制細(xì)菌生長(zhǎng)；(5)光熱/光動(dòng)力效應(yīng)，即當(dāng)石墨烯基材料與光照結(jié)合時(shí)，利用其優(yōu)異的光催化活性，在細(xì)菌局部產(chǎn)生活性氧自由基和釋放熱量，達(dá)到光動(dòng)力學(xué)和光熱滅菌效果。

盡管石墨烯基材料具有有效的抗菌活性，但仍有一些特性限制了其實(shí)際應(yīng)用。例如，石墨烯在電解質(zhì)溶液中會(huì)發(fā)生不可逆的聚集或者被氧化，從而限制了其在日常條件下的儲(chǔ)存。此外，高濃度的石墨烯基材料在生物體中存在一定的毒性。Ag，Cu，Sn等無(wú)機(jī)納米材料和一些有機(jī)聚合物等也存在抗菌效率較低或生物相容性較差等問(wèn)題。如表1所示，目前已有大量研究通過(guò)合成多種石墨烯基納米復(fù)合物以增強(qiáng)材料的抗菌活性并提升其生物相容性。由于石墨烯基材料具有巨大的比表面積，豐富的可修飾官能團(tuán)和獨(dú)特的2D結(jié)構(gòu)，這些特性保證了其與多種材料有效結(jié)合。每種材料都有其局限性，但我們可以通過(guò)形成石墨烯納米復(fù)合物來(lái)克服。最近，Jian等[19]制備出一種聚六亞甲基胍鹽酸鹽結(jié)合氧化石墨烯(MGO)的聚氨酯(TPU)多孔膜作為抗菌傷口敷料，其具有良好的生物相容性、優(yōu)異的水蒸氣透過(guò)率和持久的廣譜抗菌性能。在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，作者將50 μL大腸桿菌和金黃色葡萄球菌混合滴加至皮膚傷口表面，建立小鼠感染傷口模型。在傷口愈合過(guò)程中，與無(wú)菌傷口空白組、無(wú)菌紗布覆蓋的對(duì)照組、PHMG-TPU處理組及GO-TPU處理組相比，MGO-TPU復(fù)合多孔膜可為傷口提供相對(duì)無(wú)菌的環(huán)境，并在傷口愈合過(guò)程中促進(jìn)上皮形成，從而顯著加快感染傷口的愈合速度(見(jiàn)圖1)。

表1 石墨烯基納米復(fù)合物的抗菌研究[20-29]

圖1 不同處理組小鼠感染傷口的照片[19]

2 過(guò)渡金屬硫化物的抗菌研究進(jìn)展

過(guò)渡金屬硫化物(transition-metal dichalcogenides，TMDs)是一組化學(xué)式為MX2的層狀化合物，其中M是周期表第4至10組(通常是Mo，W等)中的過(guò)渡金屬元素，X是硫?qū)僭?S，Se，或Te)，TMDs在結(jié)構(gòu)上類似于石墨烯。鑒于Mo是人體內(nèi)某些酶中必不可少的微量元素，而S是蛋白質(zhì)中常見(jiàn)的生物元素，因此MoS2是所有TMDs在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的最佳選擇。MoS2在其結(jié)構(gòu)上類似于“S·Mo·S”的三明治夾心結(jié)構(gòu)，即中間一層Mo原子夾在兩層S原子層之間，層與層之間通過(guò)范德華力結(jié)合[30](見(jiàn)圖2)。MoS2具有3種形式的晶體結(jié)構(gòu)，分別為1T，2H和3R，其中2H型在自然狀態(tài)下最為穩(wěn)定[31]。MoS2納米片特有的層狀結(jié)構(gòu)因具有超高比表面積及大量活性位點(diǎn)，在光催化及其抗菌領(lǐng)域中具有廣闊應(yīng)用潛力。

圖2 MoS2納米片的三維模式圖[27]

2014年，Yang等[32]首次提出MoS2納米片具有良好的抑菌性能。研究結(jié)果表明，通過(guò)化學(xué)剝落法獲得的MoS2納米片比其母體MoS2粉末具有明顯更強(qiáng)的抗菌活性。為探究MoS2納米片的抗菌機(jī)制，作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出MoS2納米片可以產(chǎn)生ROS，且其對(duì)細(xì)菌中谷胱甘肽的氧化水平與材料孵育時(shí)間和濃度呈正相關(guān)。研究認(rèn)為，MoS2納米片的抗菌作用是由兩部分組成，一方面源于MoS2納米片-細(xì)菌接觸所引起的膜應(yīng)力，另一方面源于ROS依賴及非依賴性途徑引起的氧化應(yīng)激。Wu等[33]也觀察到MoS2納米片可以通過(guò)氧化應(yīng)激及膜損傷來(lái)產(chǎn)生抗菌效應(yīng)。隨著MoS2納米片濃度的增加，大腸桿菌的存活率降低，乳酸脫氫酶的釋放增加，且細(xì)胞內(nèi)活性氧的濃度也急劇增加。代謝組學(xué)分析表明，高濃度的MoS2納米片(100，1000 μg/mL)可顯著影響大腸桿菌的代謝活性，包括甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝、蛋白質(zhì)生物合成、尿素循環(huán)和丙酮酸代謝。Tang等[34]將垂直排列的MoS2納米片涂覆于鈦基底上。盡管其在黑暗條件下對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均具有明顯的抗菌活性，但抗菌機(jī)制不同。金黃色葡萄球菌與各種MoS2涂層的樣品一同孵育時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同大小的抑菌圈，但大腸桿菌與其共同孵育時(shí)，未產(chǎn)生抑菌效果。這表明MoS2涂層對(duì)金黃色葡萄球菌具有離子釋放殺傷作用，但釋放的離子不會(huì)損傷大腸桿菌。因此實(shí)驗(yàn)中大腸桿菌僅可被MoS2納米片所誘導(dǎo)產(chǎn)生的ROS殺死，而ROS和MoS2涂層所釋放的離子兩者均可以對(duì)金黃色葡萄球菌產(chǎn)生殺傷效應(yīng)。此外，實(shí)驗(yàn)中將鐵元素?fù)诫s到MoS2納米片中，可觸發(fā)Fenton樣反應(yīng)以促進(jìn)ROS的產(chǎn)生而增強(qiáng)涂層的抗菌活性。因此作者提出為提高M(jìn)oS2在較低濃度下的殺菌效果，可以采用以下策略：(1)材料表面官能化；(2)裝載抗菌藥物；(3)充分利用其光催化活性的優(yōu)勢(shì)。

Pandit等[35]通過(guò)使用不同電荷的硫醇配體對(duì)MoS2納米片進(jìn)行表面官能化。其中在帶正電荷配體的MoS2納米片中，通過(guò)改變烷烴鏈的長(zhǎng)度賦予配體不同的疏水性能。由此研究表面官能化的MoS2納米片對(duì)革蘭氏陽(yáng)性耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)和革蘭氏陰性銅綠假單胞菌的抗菌性能。結(jié)果表明，由于細(xì)菌表面帶負(fù)電荷，帶正電荷配體的MoS2納米片可以有效地使細(xì)菌附著于材料表面，從而增強(qiáng)了氧化應(yīng)激對(duì)細(xì)菌的影響。隨后，當(dāng)在帶正電荷配體的MoS2納米片上引入更長(zhǎng)的烷烴鏈時(shí)，由于長(zhǎng)烷烴鏈與細(xì)菌胞膜之間優(yōu)異的疏水作用，使得細(xì)菌的胞膜快速去極化，從而導(dǎo)致細(xì)菌迅速死亡。此外，本次實(shí)驗(yàn)還表明表面官能化的MoS2納米片比未修飾的MoS2納米片產(chǎn)生更少的活性氧。因此作者認(rèn)為未修飾的MoS2納米片主要通過(guò)產(chǎn)生ROS起抗菌作用，而本次表面官能化的MoS2納米片則通過(guò)不依賴ROS的氧化應(yīng)激和細(xì)胞膜去極化兩方面的協(xié)同機(jī)制發(fā)揮有效抗菌活性。Begum等[36]合成了蜂膠抗菌肽(AMP)和MoS2納米片的組合抗菌劑，該組合物通過(guò)光熱療法(PTT)、光動(dòng)力療法(PDT)和抗菌肽的協(xié)同作用，達(dá)到100%滅活耐多藥細(xì)菌(耐甲氧西林金黃色葡萄球菌、耐藥性大腸桿菌、肺炎克雷伯菌)的效果。該實(shí)驗(yàn)表明，單獨(dú)使用低能量激光照射MoS2納米片時(shí)，通過(guò)產(chǎn)生光熱和光動(dòng)力效應(yīng)僅可殺滅45%的耐多藥細(xì)菌；單獨(dú)使用蜂膠抗菌肽(AMP)時(shí)，通過(guò)靶向破壞細(xì)菌胞膜僅可殺滅20%的耐多藥細(xì)菌；但在兩者協(xié)同作用時(shí)，蜂膠抗菌肽(AMP)首先在耐多藥菌胞膜表面形成小孔，隨后在激光觸發(fā)的PDT和PTT期間，小孔將有助于有效擴(kuò)散熱量和ROS，達(dá)到協(xié)同多峰殺菌效果。最近，Zhang等[37]設(shè)計(jì)了CuS@MoS2納米復(fù)合物水凝膠，發(fā)現(xiàn)其在660 nm可見(jiàn)光和808 nm近紅外光雙激光照射下可以短時(shí)間內(nèi)殺死99.3%的大腸桿菌和99.5%的金黃色葡萄球菌。CuS和MoS2在紫外到近紅外區(qū)域都具有很強(qiáng)的吸收峰，從而在材料表面形成光激發(fā)和等離子體激元誘導(dǎo)的電子和空穴，累積的電子與O2結(jié)合形成1O2，空穴直接轉(zhuǎn)化為·OH，兩種活性氧通過(guò)氧化細(xì)胞內(nèi)的蛋白和脂質(zhì)來(lái)破壞細(xì)菌胞膜和細(xì)胞壁。同時(shí)，在光催化過(guò)程中，材料表面通過(guò)等離子體激元共振產(chǎn)生大量的熱量，升高的溫度既降低了細(xì)菌活性也提高了細(xì)菌胞膜的通透性，使ROS可以更容易滲透到細(xì)菌內(nèi)發(fā)揮氧化應(yīng)激作用，從而導(dǎo)致兩種細(xì)菌在15 min內(nèi)即被有效殺死。此外，為了評(píng)估CuS@MoS2納米復(fù)合物水凝膠在雙激光照射下的實(shí)際抗菌性能，作者建立了小鼠皮膚傷口感染模型。結(jié)果表明與無(wú)菌敷料處理組及單純水凝膠處理組相比，CuS@MoS2水凝膠處理組顯示出更佳的抗菌效果，小鼠傷口愈合速度明顯加快。ROS的產(chǎn)生在此愈合過(guò)程中起著重要作用。

3 層狀雙氫氧化物的抗菌研究進(jìn)展

LDHs化學(xué)惰性高，因此具有良好的生物相容性，可在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行廣泛應(yīng)用。例如，其中一種稱為“水滑石”的LDHs，其成分為Mg6Al2(CO3)(OH)16· 4H2O，能夠有效地抑制胃蛋白酶的活性，藥效顯著且持久，目前已作為抗酸藥商品化使用了20多年[39]。

LDHs的層板具有可調(diào)控性，許多具有抗菌性能的金屬元素可以調(diào)控進(jìn)入LDHs的層板中。Carja等[40]將AgNPs負(fù)載于Zn LDHs上，發(fā)現(xiàn)與未負(fù)載的銀納米材料相比，Ag/Zn LDHs表現(xiàn)出更穩(wěn)定的抗菌性能。這可能是由于帶正電荷的LDHs基質(zhì)可以將帶負(fù)電荷的細(xì)菌吸附至材料表面，從而促進(jìn)了細(xì)菌與銀納米顆粒更好的相互作用。Moaty等[41]合成了Zn-Fe LDHs，并觀察到其對(duì)革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽(yáng)性菌、超級(jí)細(xì)菌和真菌均具有持久的廣譜抗菌效應(yīng)。作者提出它們對(duì)細(xì)菌的致死作用可能歸因于材料中正電荷的存在，活性氧·OH的釋放，以及金屬Zn2+的釋放殺傷作用。

由于LDHs具有生物相容性好、低毒性、層板間陰離子可交換性和生物降解性等特性，將抗菌藥封裝在LDHs片層中，可實(shí)現(xiàn)藥物的持續(xù)緩慢釋放，從而避免了由于藥物突然大量攝入而產(chǎn)生的毒性。Malafatti等[42]使用LDHs作為基質(zhì)，將可生物吸收的聚乳酸支架與抗生素磺胺嘧啶銀結(jié)合起來(lái)，以獲得藥物緩釋抗菌系統(tǒng)。結(jié)果表明此抗菌系統(tǒng)可有效地從聚乳酸支架中輸送磺胺嘧啶銀抗生素。由于LDHs的嵌入，磺胺嘧啶銀從支架中釋放緩慢，對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有明顯的抑制作用。同時(shí)該材料也表現(xiàn)出與細(xì)胞極好的生物相容性。

另外，某些抗菌劑在暴露于光源或熱源時(shí)即會(huì)失去生物活性。但是，將它們插入LDHs中后，可顯著提高抗菌劑的化學(xué)穩(wěn)定性/光穩(wěn)定性。Tang等[43]將DL-扁桃酸通過(guò)陰離子交換反應(yīng)嵌入到Zn-Al LDHs中，DL-扁桃酸(MA)是一種α-羥基酸，具有抗光老化，色素沉著和抗菌等用途，但對(duì)光、熱和堿非常不穩(wěn)定，很容易分解為無(wú)生物活性的化合物。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，相對(duì)于純MA，ZnAl-MA LDHs系統(tǒng)具有較好的熱穩(wěn)定和光穩(wěn)定性，并通過(guò)藥物的緩釋，達(dá)到一定的抑菌效果。

此外，LDHs可與抗生素結(jié)合構(gòu)建藥物納米平臺(tái)，以對(duì)抗傳統(tǒng)的抗生素耐藥菌。因此LDHs是一種具有廣闊應(yīng)用前景的藥物載體。Komarala等[44]建立了頭孢噻肟負(fù)載的LDH-胡蘆巴(CLF)納米復(fù)合物，藥物動(dòng)力學(xué)結(jié)果表明，藥物在納米復(fù)合物中呈持續(xù)釋放模式，72 h內(nèi)的藥物釋放量約為80%。抗菌結(jié)果表明，該納米復(fù)合物對(duì)產(chǎn)廣譜β-內(nèi)酰胺酶的大腸桿菌(E.coliESBL)可達(dá)到98%的滅菌率。其可能機(jī)制在于LDH-CLF納米復(fù)合物作為頭孢噻肟的隱身載體，在進(jìn)入細(xì)胞時(shí)才釋放藥物分子，阻止了細(xì)菌分泌的β-內(nèi)酰胺酶對(duì)抗生素的降解，進(jìn)而有效發(fā)揮抗生素的功效。

4 Mxenes抗菌研究進(jìn)展

超薄二維納米材料(ultrathin two-dimensional nanomaterials) MXenes屬于一類新興的納米材料，其結(jié)構(gòu)通式為Mn+1XnTx，其中M代表過(guò)渡金屬元素(如Sc, Ti, V, Cr, Zr, Hf, Nb, Mo, Ta和W),X代表C或N元素，Tx代表表面的官能團(tuán)(如—OH，—O或—F)，n通常為1到3的整數(shù)。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)是由原始的塊狀MAX相(Mn+1AXn)，經(jīng)過(guò)選擇性地侵蝕反應(yīng)掉最活躍的組分A(ⅢA或ⅣA元素) 而得到。在Ti3C2Tx的合成實(shí)驗(yàn)中使用氫氟酸(HF)水溶液作為蝕刻劑，從Ti3AlC2相中除去Al，同時(shí)在片層表面形成Tx端基，并通過(guò)進(jìn)一步的超聲分層而獲得單層Ti3C2Tx。MXenes被侵蝕后具有片層狀結(jié)構(gòu)，其橫向尺寸>100 nm，但厚度僅有一個(gè)或者幾個(gè)原子厚[45]。由于MXenes二維材料具有比表面積高、離子電導(dǎo)率大、親水性好等優(yōu)勢(shì)特征,在能量存儲(chǔ)、傳感、催化以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力[46]。其中在生物應(yīng)用上，MXenes因其出色的光熱性能、多峰成像能力和良好的生物相容性，已被用于癌癥治療研究中[47]。然而，迄今為止僅有少數(shù)報(bào)道證明了MXenes的抗菌活性。

Rasool等[48]研究測(cè)試了Ti3C2Tx對(duì)大腸桿菌(E.coli)和枯草芽孢桿菌(B.subtilis)的抗菌性能。結(jié)果顯示，與氧化石墨烯(GO)相比，Ti3C2Tx對(duì)革蘭氏陰性大腸桿菌和革蘭氏陽(yáng)性枯草芽孢桿菌均顯示出更高的抗菌效率。Ti3C2Tx對(duì)兩種細(xì)菌均可達(dá)到98%以上的滅菌效果。Agnieszka等[49]觀察到MXenes的抗菌活性可能受原子化學(xué)計(jì)量比的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Ti3C2TxMXene可以抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)，這與以前的報(bào)道一致。但是Ti2CTxMXene則沒(méi)有抑菌能力。在使用X射線光電子能譜檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)Ti3C2Tx和Ti2CTx二者的表面能態(tài)分布相似。因此作者認(rèn)為，原子級(jí)的結(jié)構(gòu)差異可能是影響具有不同化學(xué)計(jì)量比的MXene抑菌能力的主要因素。Arabi等[50]研究了在黑暗環(huán)境中，0.09，0.35，0.57 μm和4.40 μm 4種橫向尺寸的MXene納米片對(duì)大腸桿菌和枯草芽孢桿菌的抗菌性能。分析證實(shí)，MXene納米片的抗菌活性與其橫向尺寸大小成負(fù)相關(guān)，而與材料暴露時(shí)間呈正相關(guān)。較小的納米片對(duì)兩種細(xì)菌具有更高的抗菌活性，其可在不到3 h內(nèi)顯著破壞細(xì)菌，導(dǎo)致細(xì)胞中的DNA從胞質(zhì)中釋放出來(lái)。作者認(rèn)為納米片的鋒利邊緣與細(xì)菌胞膜表面之間的直接物理切割作用是MXene納米片的關(guān)鍵抗菌機(jī)制。然而迄今為止，有關(guān)MXenes殺菌機(jī)理和其他抗菌特性的研究還較少，MXenes的抗菌潛力仍有待開(kāi)發(fā)。

5 關(guān)于二維層狀納米材料的抗菌應(yīng)用總結(jié)與展望

本文主要總結(jié)了石墨烯、過(guò)渡金屬硫化物(TMDs)、層狀雙氫氧化物(LDHs)、及Mxenes這4類二維納米材料的抗菌研究現(xiàn)狀。具體而言，石墨烯及其衍生物是目前最常用的抗菌二維材料，材料本身即具有抗菌活性。其抗菌性能主要取決于以下3個(gè)因素：表面官能團(tuán)、橫向尺寸及其衍生物的種類。目前文獻(xiàn)中介紹的石墨烯抗菌機(jī)制主要包括物理切割、氧化應(yīng)激、磷脂抽取、營(yíng)養(yǎng)剝奪及光動(dòng)力和光熱效應(yīng)。過(guò)渡金屬硫化物目前基本以研究MoS2納米片為主。MoS2納米材料本身也具有一定的抗菌活性，抗菌機(jī)制與石墨烯相似，目前大多數(shù)研究主要通過(guò)以下3個(gè)方面進(jìn)一步提升其抗菌性能：表面官能化、裝載抗菌藥物及利用其高效光催化活性所觸發(fā)的光熱和光動(dòng)力組合。關(guān)于層狀雙氫氧化物，少有研究表明其能直接抑制細(xì)菌生長(zhǎng)，但是層狀雙氫氧化物特有的空間結(jié)構(gòu)及其優(yōu)異的生物相容性決定了它可以作為抗菌藥物理想的載體，以實(shí)現(xiàn)抗菌藥物的緩釋、提高抗菌藥的化學(xué)/光穩(wěn)定性，同時(shí)使傳統(tǒng)的抗生素對(duì)抗耐藥菌成為一種可能。MXenes作為一種新型二維層狀納米材料，關(guān)于其抗菌性能的研究目前非常有限。盡管存在各種類型的MXenes，僅Ti3C2Tx已被證明具有抗菌活性，MXenes的殺菌機(jī)理仍知之甚少。

盡管本文重點(diǎn)介紹了4種類型的2D材料抗菌特性，但二維層狀納米材料是一個(gè)龐大的家族。其他一些2D材料例如六方氮化硼(BN)，2D金屬氧化物和2D高嶺石等也成為新興的潛在抗菌劑。隨著新型材料的不斷涌現(xiàn)，二維層狀納米材料的抗菌研究還在不斷拓展。同時(shí)現(xiàn)有的2D材料作為抗菌劑也存在一些問(wèn)題。例如在自然環(huán)境下，2D材料會(huì)不可逆地聚集或者被氧化，特征性的二維結(jié)構(gòu)將遭到破壞，從而限制其在日常條件下的儲(chǔ)存與應(yīng)用。因此迫切需要開(kāi)發(fā)合適的封閉劑以增強(qiáng)其穩(wěn)定性并探索出2D材料的適當(dāng)存儲(chǔ)條件。與此同時(shí)，二維層狀納米材料的生物安全性也是一個(gè)不可忽視的問(wèn)題。已有研究發(fā)現(xiàn)高濃度的石墨烯進(jìn)入小鼠體內(nèi)后會(huì)發(fā)生肺部病變[51]。盡管從現(xiàn)有研究中我們可以認(rèn)識(shí)到石墨烯、過(guò)渡金屬硫化物(TMDs)、層狀雙氫氧化物(LDHs)及Mxenes具有抗菌活性且?guī)缀醪淮嬖谀退幮裕沁@些2D材料單獨(dú)用于體內(nèi)抗菌時(shí)濃度仍然相對(duì)較高，因此可以將2D材料與抗菌藥物結(jié)合起來(lái)以達(dá)到協(xié)同抗菌的效果。目前已發(fā)現(xiàn)一些傳統(tǒng)的抗生素非常適合與2D材料結(jié)合使用,如LDH-CLF納米復(fù)合物可作為頭孢噻肟的隱身載體克服細(xì)菌對(duì)頭孢噻肟的耐藥性，從而達(dá)到有效抗菌。抗生素與2D材料的結(jié)合將會(huì)在對(duì)抗耐藥菌方面具有極大的應(yīng)用潛力。其次，二維層狀納米材料具有引人注目的光學(xué)性能，在白光和近紅外光下可產(chǎn)生的光動(dòng)力和光熱殺菌效應(yīng)。基于2D材料處理動(dòng)物感染傷口模型的現(xiàn)有數(shù)據(jù)表明，2D材料具有治療局部皮膚感染的強(qiáng)大潛力。由于光源和材料僅暴露于傷口中細(xì)菌聚集的部位，因此不會(huì)對(duì)體內(nèi)正常菌群產(chǎn)生影響，且可以在傷口局部有效控制感染，促進(jìn)皮膚傷口愈合。此外，利用2D材料的光催化抗菌特性，可制成抗菌涂層，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的原位消毒，有望在將來(lái)應(yīng)用于無(wú)菌醫(yī)療設(shè)備中。但是目前將二維納米抗菌材料應(yīng)用于實(shí)際臨床中仍需要大量實(shí)驗(yàn)的支持，將其作為新一代有效抗菌劑需要多學(xué)科專家學(xué)者的共同研究與協(xié)作。