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來源:      2024-04-02
導(dǎo)讀:作者通過濕化學(xué)法將有機(jī)小分子自組裝成類石墨烯的二維納米片材料。相較于肉桂醛、α-甲基肉桂醛納米片,α-溴肉桂醛納米片(BCA 納米片)表現(xiàn)出了良好的抗菌活性,而α-甲基肉桂醛納米片則抑制了其抗菌性能,研究結(jié)果表現(xiàn)出了抑菌開關(guān)特點(diǎn)。DFT計(jì)算輔助證實(shí)由于Br基團(tuán)的存在使醛基電子云密度降低電負(fù)性升高進(jìn)一步提高抗菌性能,解釋了其抗菌機(jī)理。CCK-8、活死細(xì)胞染色、果蠅等實(shí)驗(yàn)證實(shí)α-溴肉桂醛納米片良好的生物相容性。小鼠傷口感染模型進(jìn)一步證實(shí)納米片優(yōu)異的促傷口愈合性能。

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第一作者:趙小盈

通訊作者:張良、和建政、馬振輝、劉虎

通訊單位:西安建筑科技大學(xué),中國(guó)科學(xué)院青海鹽湖研究所,甘肅中醫(yī)藥大學(xué),北京工商大學(xué)

論文DOI: 10.1021/acsami.3c18277

背景介紹

人類的大多數(shù)疾病都源于各種混合細(xì)菌的感染。有機(jī)類代表藥物在細(xì)菌性疾病的治療中占據(jù)主導(dǎo)地位,但在治療過程中存在抗生素耐藥性。改變功能性有機(jī)分子的官能團(tuán),了解其生物活性與結(jié)構(gòu)之間的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系,對(duì)細(xì)菌性疾病的治療極具挑戰(zhàn)。因此,研究具有特定活性骨架的功能有機(jī)分子,并探討其活性骨架與生物活性之間的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系具有極大的科學(xué)價(jià)值。

圖文解析

作者通過濕化學(xué)法成功制備α-溴肉桂醛二維納米片材料。TEM 圖像顯示,樣品的形態(tài)為二維片狀結(jié)構(gòu)(圖 1a)。BCA 納米片的代表性低倍 TEM 局部圖像和納米片的高角度環(huán)形暗場(chǎng)掃描 TEM 圖像(圖 1b&1c)。BCA 納米片的元素圖譜顯示,C、O 和 Br 元素在納米片平面上均勻分布(圖 1d&1f)。這些結(jié)果驗(yàn)證了 BCA 納米片的成功制備。

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圖 1. BCA 納米片的形態(tài)特征。

Figure 1. Morphology characterization of BCA nanosheets. (a) Representative low-magnification TEM image. (b) Representative low-magnification TEM partial image of BCA nanosheets, and (c) HAADFTEM image of BCA nanosheets. The corresponding EDS elemental mappings of (d) C, (e) O, and (f) Br element.

通過X射線衍射分析了BCA納米片的結(jié)構(gòu)(圖2a),發(fā)現(xiàn)BCA 納米片與其試劑表現(xiàn)出相同的X射線衍射模式,表明濕化學(xué)法制備的納米片沒有改變α-溴肉桂醛試劑本身的結(jié)構(gòu)。XPS 顯示了 BCA 納米片上的 C-C、C-Br、C=O 和 Br 取代鍵信息。XPS 分析表明,疊加譜只顯示了碳(C 1s)和氧(O 1s)的兩個(gè)特征峰。核電峰分別為 284.90、286.20 和 288.90 eV,可能與 C-C、C-Br 和 C=O 有關(guān)(圖 2b)。O 1s 的反卷積光譜在 533.3 和 532.1 eV 處分別出現(xiàn)了兩個(gè)峰,這可能與 C=O 和 -OH 基團(tuán)的存在有關(guān)(圖 2c)。納米片的 Br 3d 3/2 和 Br 3d5/2 峰的結(jié)合能分別為 71.4 和 70.3 eV(圖 2d)。這些結(jié)果表明成功合成了 BCA 納米片。

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圖 2. BCA 納米片的表征。
Figure 2. Characterization of BCA nanosheets. (a) XRD character ization of BCA nanosheets, (b) C 1s, (c) O 1s, and (d) Br 3d spectra of the BCA nanosheets.

圖3a、b中,當(dāng)BCA納米片的用量為250 μL時(shí),大腸桿菌的抑菌圈半徑達(dá)到30 mm,金黃色葡萄球菌的抑菌圈半徑達(dá)到26 mm,與空白對(duì)照組相比,BCA納米片組的抑菌圈半徑隨著BCA納米片用量的增加而增加。相同濃度的肉桂醛納米片組和α-甲基肉桂醛納米片組的抑菌圈半徑均無明顯變化,說明BCA納米片具有更好的抗菌性能。

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圖 3. BCA 納米片的體外抗菌活性。
Figure 3. In vitro antibacterial activity of BCA nanosheets. (a,b) A mount of live bacteria of S. aureus and E. coli treated in culture medium with 50, 150, 250 μL of cinnamaldehyde nanosheets, BCA nanosheets, and α-methylcinnamaldehyde nanosheets, respectively.

DFT 計(jì)算結(jié)果表明,溴基團(tuán)的吸電子效應(yīng)降低了醛基的電子云密度,增強(qiáng)了肉桂醛骨架的抗菌活性。這一結(jié)果源于α-溴肉桂醛結(jié)構(gòu)中α位的吸電子效應(yīng)。由于溴是吸電子基團(tuán),當(dāng)溴在 α 位被取代時(shí),會(huì)導(dǎo)致電子云密度降低,肉桂醛骨架中醛基的電負(fù)性增加。肉桂醛中的不飽和醛具有很強(qiáng)的負(fù)電性,會(huì)干擾生物的電子傳遞過程,并會(huì)與一些重要的含氮化合物(如一些功能性蛋白質(zhì)和核酸)發(fā)生反應(yīng),從而抑制微生物的生長(zhǎng)。因此,可以確定,在 α 位取代溴基會(huì)導(dǎo)致電子從醛基轉(zhuǎn)移到溴,電負(fù)性增加,從而進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)微生物的抑制作用。

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圖 4. 肉桂醛和兩個(gè)靜電電位相等的表面,表面充滿了顏色、幾何形狀和赫氏電荷。(a 和 d)肉桂醛,(b 和 e)α-溴肉桂醛和(c 和 f)α-甲基肉桂醛。
Figure 4. Cinnamaldehyde and two electrostatic potentials equivalent surfaces filled with color, geometry, and hirshfeld charge. (a,d) cinnamaldehydes, (b,e) α-bromocinnamaldehyde, and (c,f) a methylcinnamaldehyde.

通過細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了納米片的生物相容性。圖 5a 顯示,隨著 BCA 納米片濃度的增加,與 HSF 細(xì)胞共培養(yǎng) 24 小時(shí)的細(xì)胞活性略有下降。當(dāng) BCA 納米片溶液的比例為 100%時(shí),細(xì)胞存活率仍接近 80%(圖 5a)。使用激光共聚焦顯微鏡觀察了細(xì)胞的活/死成像(圖 5b)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)組的細(xì)胞存活率與空白對(duì)照組相似,幾乎沒有死細(xì)胞存在。表明 BCA 納米片對(duì) HSF 細(xì)胞無明顯毒性。此外,果蠅動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)(圖 5c)表明BCA納米片對(duì)幼蟲的神經(jīng)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)能力均無明顯影響。

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圖5. 生物相容性表征
Figure 5. Biocompatibility characterization. (a) The Cell Counting Kit-8 (CCK-8) cytotoxicity assay on human skin fibroblasts of BCA nanosheets, (b) Live/Dead fluorescent staining images, (c) Effect of different concentrations of BCA nanosheets on the crawling ability of drosophila larvae.

圖 6a 小鼠傷口模型實(shí)驗(yàn)表明,與空白對(duì)照組相比 BCA 納米片處理的小鼠的傷口愈合速度明顯快于對(duì)照組。處理組的大多數(shù)小鼠在 13 天后感染得到控制,傷口基本愈合,證實(shí)了 BCA 納米片的傷口愈合能力。H&E 染色(圖 6b)進(jìn)一步證實(shí)BCA 納米片組的傷口炎癥浸潤(rùn)較少,中性粒細(xì)胞明顯減少,這表明 BCA 納米片通過其抗菌作用減輕了傷口處的炎癥。血管新生促進(jìn)了成纖維細(xì)胞向傷口表面的遷移和上皮細(xì)胞的再生。

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圖 6. BCA 納米片在小鼠模型上的傷口消毒能力。

Figure 6. Wound disinfection capability of BCA nanosheets on mouse model. (a) Photographs of S. aureus infected wounds treated with PBS, BCA nanosheets, (b) Histological photomicrographs of skin tissue sections after H&E staining. Red arrows represent inflammatory cells, including lymphocytes, neutrophils and macrophages; black arrows represent fibroblasts, and blue arrows represent neovascularisation.

總結(jié)與展望

總之,我們報(bào)告了一種分子觀點(diǎn)策略,即通過簡(jiǎn)單的再沉淀法將肉桂醛及其衍生物自組裝成二維納米片狀抗菌材料,并用不同性質(zhì)的基團(tuán)取代有機(jī)小分子骨架以實(shí)現(xiàn)不同的抗菌效果。有機(jī)小分子的納米化彌補(bǔ)了一類有機(jī)抗菌劑不溶于水、易氧化和揮發(fā)的缺點(diǎn)。抑制圈法證實(shí)了合成的α-溴肉桂醛納米片具有前所未有的抗菌活性。DFT 計(jì)算表明,肉桂醛 α 位上的吸電子基團(tuán)導(dǎo)致醛基電子云密度降低,電負(fù)性增加,從而增強(qiáng)了醛基的抗菌活性。CCK-8、激光共聚焦和果蠅實(shí)驗(yàn)證實(shí)了 BCA 納米片具有良好的生物相容性。這項(xiàng)研究為合成具有良好生物相容性的低成本有機(jī)納米材料提供了一種新策略。它有望拓展天然有機(jī)小分子材料在抗菌劑中的應(yīng)用。

文章信息
Xiaoying Zhao, Ruoyan Miao, Tianze Xu, Xiaolong Du, Xueyan Zhang, Wanyu Zhao, Huidong Xie, Liang Zhang, Jianzheng He, Zhenhui Ma, and Hu Liu. ChangingCinnamaldehydeSkeletonAchievesAntibacterial Nanoswitch. ACS Applied Materials & Interfaces.
文章鏈接:https://doi.org/10.1021/acsami.3c18277
主要通訊作者介紹
劉虎,副教授、碩士生導(dǎo)師/西安建筑科技大學(xué),主要研究方向聚焦于氫能領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)研究,長(zhǎng)期致力于多尺度能源轉(zhuǎn)化功能材料的設(shè)計(jì)與制備,用于制、儲(chǔ)、運(yùn)與用氫能的研究等方面,取得了一系列科研成果,發(fā)表SCI學(xué)術(shù)論文50余篇,以第一/通訊作者發(fā)表高水平SCI論文23篇,其中包括J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Nano Lett.、Adv. Funct. Mater.、Chem. Eng. J.、J. Mater. Chem. A 等高水平論文,其中8篇入選ESI高被引論文、2篇入選ESI熱點(diǎn)論文,H指數(shù)為23(谷歌);授權(quán)專利9項(xiàng);主持與參與省部級(jí)、中科院/國(guó)家級(jí)氫能項(xiàng)目多項(xiàng)?,F(xiàn)擔(dān)任《Adv. Funct. Mater.》、《J. Mater. Chem. A.》、《Chem. Eng. J.》、《Journal of Hazardous Materials》、《Bioresource Technology》等期刊審稿人;《稀有金屬》與《Rare Metals》青年編委;中國(guó)稀土學(xué)會(huì)第七屆固體科學(xué)與新材料專業(yè)委員會(huì)委員,陜西省柔性電子學(xué)會(huì)會(huì)員,陜西省環(huán)境應(yīng)急專家,自然基金委/工信部項(xiàng)目函評(píng)專家。
和建政,博士生導(dǎo)師/甘肅中醫(yī)藥大學(xué),德國(guó)科隆大學(xué)博士,在科隆大學(xué)、新加坡國(guó)立大學(xué)從事博士后研究,榮獲甘肅省青年科技獎(jiǎng)、甘肅省杰青、甘肅省隴原青年英才、甘肅省青年飛天學(xué)者,擔(dān)任科學(xué)技術(shù)部人類遺傳資源項(xiàng)目評(píng)審專家、中國(guó)青年科技工作者協(xié)會(huì)會(huì)員。獲得國(guó)家自然基金2項(xiàng),省廳級(jí)項(xiàng)目3項(xiàng)及其它各類項(xiàng)目6項(xiàng)。共發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文30余篇,其中近三年以第一作者/通訊作者在《Chem Eng J》、《Int J Biol Macromol》、《Food Funct》和《Biomed Pharmacother》等國(guó)際知名期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文21篇,獲批發(fā)明專利2項(xiàng)。


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