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研究摘要

耐药细菌的出现已成为全球日益严重的公共卫生问题。其中，耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）会导致高发病率和死亡率。现有的抗菌方法仍然存在着易导致新的耐药性产生、材料合成复杂、纯化难度大和成本高等问题，因此急需开发出一种安全、高效、低成本的抗菌药物。生物体内的溶菌酶能够催化肽聚糖中N-乙酰胞壁酸和N-乙酰-D-氨基葡萄糖残基之间的β-1，4-键的水解，从而表现出抗菌能力。溶菌酶可以减缓抗生素过量使用引起的细菌耐药性，然而，作为生物大分子，溶菌酶的稳定性和抗菌活性会受到环境的影响，酶的固定化方法应运而生。

新型二维纳米材料MXene具有良好的生物相容性和光热转换能力，是酶固定化的良好载体。丰富的表面官能团（-OH，=O和-F）赋予MXene大量的锚定位点。此外， Ti₃C₂ MXene的优异光热转换性能可以实现光热杀菌，在激光照射下，局部温度的迅速升高对细胞膜和蛋白质造成极大的破坏，导致细菌的死亡。与传统的抗菌方法相比，光热抗菌方法具有快速、高效、无创、环保等优点。此外，多项领域内的研究表明MXene在生物分子的生物界面工程和酶固定化方面具有潜力。然而，以前发表的研究倾向于将MXene与纳米材料（如贵金属纳米颗粒）结合后用于抗菌，但纳米材料表现出一定的毒性，不利于实际应用。此外，还没有将酶固定在MXene纳米片上进行抗菌研究的相关报道。

成果简介

近期，华南理工大学食品科学与工程学院孙大文教授课题组构建了一个基于MXene生物界面工程的光热纳米抗菌材料，通过激光对溶菌酶的活性进行远程调控，从而有效杀灭MRSA。单层Ti₃C₂ MXene通过聚多巴胺（PDA）表面化学进行功能化，以增强光热效应和稳定性，在此过程中溶菌酶通过分子间静电亲和力固定在这种二维杂化界面上。合成的纳米材料（记为M@P@Lyso）光热转换效率可达到46.88%，在实现溶菌酶的固定化的同时，通过激光调控使局部温度升高，激活溶菌酶的杀菌活性。体外和体内抗菌实验表明，M@P@Lyso能有效抑制MRSA的增殖，加速小鼠伤口愈合，并且具有优异的生物相容性。M@P@Lyso优异的抗菌活性应归因于多重杀菌机制的协同作用，即光热促进溶菌酶生物催化活性、M@PDA产生的局部过热效应以及纳米片的物理切割效应。该研究提出了一种基于MXene的通过远程控制激光照射来增强溶菌酶杀菌效果的方法，为研发高稳定性、高活性抗菌纳米复合物及推广应用提供了技术参考。

该成果在线发表于国际顶级期刊Chemical Engineering Journal （影响因子16.744）上，题目为：Bio-interface Engineering of MXene Nanosheets with Immobilized Lysozyme for Light Enhanced Enzymatic Inactivation of Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus。

图文导读

图1. 溶菌酶在MXene上的生物界面工程化及光热增强下对MRSA杀菌示意图。

图2. 合成纳米材料的表征。MXene，M@PDA and M@P@Lyso16的A）FTIR光谱，B）Zeta电位和C）XPS图谱。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在水中的稳定性照片。MXene，M@P@Lyso4，M@P@Lyso8，M@P@Lyso12 and M@P@Lyso16的H）XRD 图谱和I）Raman 光谱。

图3. 电磁屏蔽性能。a-c）EMI SE，SET、SEA和SER的比较，以及相同厚度为40μm的MF-2、MSF-2、MCF-2、MCSF-10的电导率。d，i）EMI SE，e）电导率，f）图像，h）MCSF-5、MCSF-10、MCSF-15、MCSF-20、MCSF-25、MCSF-30的SET、SEA和SER的比较。j） 比较作为厚度函数的特征EMI屏蔽效能。

图4. 合成纳米材料的体外抗菌活性。A）不同温度下溶菌酶的抑菌率（n = 3）。B）游离与固定化溶菌酶（即M@P@Lyso）无光照10 min处理后的细菌存活率（n = 3）。C）MRSA与不同纳米材料（50 μg/mL）孵育的菌悬液在808 nm激光照射下的温度变化曲线。D）LB琼脂平板上细菌菌落的照片。E）不同处理后MRSA的细菌存活率。PBS作为对照组。F）不同处理的MRSA的代表性SEM图像。G）不同处理后MRSA的细胞活/死测定的荧光图像。比例尺:50 μm。

图5. M@P@Lyso+NIR的体内抗菌性能研究。A）小鼠伤口模型建立示意图。B）不同处理治疗后的小鼠的伤口照片，以PBS处理组为对照组，比例尺：3 mm。C）不同处理下小鼠的相对伤口面积。D）不同处理后小鼠伤口组织的H&E染色的组织学图像。比例尺：1.25 mm。

图6. 体外和体内生物安全性分析。A）用不同浓度（0，50，100，150，200和300 μg/mL）M@PDA和M@P@Lyso处理3T3细胞后的相对细胞存活率。B）M@PDA和M@P@Lyso的溶血率及光学照片。C）不同处理组小鼠的体重变化曲线。

总结

本文利用MXene和PDA组成的复合光热纳米平台，实现溶菌酶的固定化，并通过MXene和PDA的光热效应增强溶菌酶活性，从而实现高效杀菌。合成的M@P@Lyso纳米复合材料中，M@PDA优异的光热转换能力为溶菌酶活性的远程调控提供了可能性。更重要的是，体外和体内抗菌结果表明，M@P@Lyso+NIR对MRSA可以实现约98%的杀菌率，促进小鼠伤口愈合，并具有良好的生物相容性。总之，这项工作提出了一种通过刺激响应酶纳米平台以解决细菌耐药性威胁的方法，为MXene在抗菌领域的应用提供了新的思路。