Fe3O4@Cg-DTC/AgNPs多层组装胶体抗菌抗生物膜剂的构建与性能研究

《Scientific Reports》：Layer by layer preparation of Fe3O4@Cg-DTC/AgNPs as colloidal antimicrobial and anti-biofilm agent

本研究针对细菌抗生素耐药性日益严重的全球性难题，创新性地采用层层组装技术构建了二硫代氨基甲酸酯功能化磁性复合纳米材料Fe3O4@Cg-DTC/AgNPs。通过表征证实该材料能有效防止银纳米颗粒（Ag NPs）聚集，实现对大肠杆菌、铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度分别达0.58±0.38、1±0和4.67±3.06 μg/mL，抗菌效果显著优于环丙沙星。同时该材料在0.0625-1 μg/mL浓度区间展现卓越抗生物膜活性，细胞毒性实验表明其对NIH-3T3细胞无显著毒性，为耐药菌感染防治提供了新型纳米解决方案。

　　

随着抗生素滥用导致的耐药菌株不断涌现，全球公共卫生系统正面临严峻挑战。据世界卫生组织统计，抗生素耐药性每年导致数百万人死亡，传统抗生素如氟喹诺酮类药物效力持续下降。尤其令人担忧的是，医疗设备表面形成的生物膜已成为细菌滋生的温床，其对抗生素的耐受性可高达浮游细菌的1000倍。在这一背景下，纳米技术为抗菌治疗带来了新的曙光——银纳米颗粒（Ag NPs）凭借其独特的物理化学性质，能通过破坏细菌膜结构、诱导氧化应激等多重机制发挥杀菌作用。然而传统Ag NPs易聚集、离子释放不可控等缺陷，严重制约其临床应用。

伊朗研究团队在《Scientific Reports》发表的最新研究中，设计了一种具有核心壳结构的磁性纳米复合材料。该研究通过水热法合成300纳米四氧化三铁（Fe₃O₄）磁核，经葡萄糖碳化形成碳壳层后，依次进行氨基硅烷修饰和二硫代氨基甲酸酯（Dithiocarbamate, DTC）功能化，最终通过化学还原法将Ag NPs均匀锚定在材料表面。这种精巧的层级结构既解决了纳米颗粒聚集难题，又通过磁靶向特性为后续精准医疗奠定基础。

关键技术方法包括：水热合成法制备磁性纳米颗粒，傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）、振动样品磁强计（VSM）等材料表征技术，微量肉汤稀释法测定最小抑菌浓度（MIC），96孔板结晶紫染色法评估生物膜抑制，以及MTT法检测NIH-3T3细胞毒性。实验菌株涵盖大肠杆菌BAA 2340、铜绿假单胞菌BAA 3105和金黄色葡萄球菌ATCC 43300等标准耐药菌株。

材料表征结果

FT-IR光谱在571 cm^-1处出现Fe-O特征峰，碳壳层形成后3300-3600 cm^-1处羟基峰强度显著增加。XRD图谱明确显示面心立方结构的Fe₃O₄特征峰（20=30.14°, 35.47°, 43.13°）和Ag NPs特征峰（20=38.06°, 44.52°）。VSM分析表明碳壳层使饱和磁化值从28.36 emu/g降至3.59 emu/g。扫描电镜（SEM）显示功能化后颗粒尺寸增大但保持球形形貌，透射电镜（TEM）清晰呈现核心壳结构，Ag NPs以9.83±2.83纳米粒径均匀分布。

抗菌性能评估

纳米复合材料对革兰阴性菌展现更强抑制作用，对大肠杆菌的MIC和最小杀菌浓度（MBC）均为0.58 μg/mL，对铜绿假单胞菌分别为1 μg/mL和2 μg/mL，对金黄色葡萄球菌分别为4.67 μg/mL和8 μg/mL。值得注意的是，其抗菌活性全面超越临床常用抗生素环丙沙星（对三种菌的MIC分别为32±0 μg/mL、16±0 μg/mL和16±13.86 μg/mL）。研究团队指出，碳壳层增强细菌吸附能力与Ag NPs快速杀菌作用的协同效应是显著增效的关键。

抗生物膜活性

在亚抑菌浓度下，材料仍表现出显著生物膜抑制能力。抑制大肠杆菌生物膜形成的最低浓度仅需0.0625 μg/mL，对铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌也分别仅需0.5 μg/mL和1 μg/mL。这种低浓度高效抑制特性，使其在医疗器械涂层等领域具有重要应用潜力。

生物相容性分析

MTT实验显示，即使在400 μg/mL最高测试浓度下，NIH-3T3细胞存活率仍保持78%，证实材料具有良好的生物相容性。这种低毒性特征与既往研究中普通Ag NPs在10 μg/mL即引起80%细胞死亡形成鲜明对比，归因于碳壳层对银离子的可控释放调节作用。

该研究通过多层级纳米工程策略，成功构建了兼具高效抗菌/抗生物膜活性和良好生物相容性的磁性纳米材料。其创新价值在于：首先，二硫代氨基甲酸酯功能化策略解决了Ag NPs稳定性难题；其次，碳壳层介导的细菌吸附增强效应提升了杀菌效率；最后，磁性核心为后续靶向治疗提供可能。虽然材料饱和磁化强度有所降低，且大规模制备工艺仍需优化，但这项研究为应对抗生素耐药危机提供了新思路，特别是为导管相关感染、伤口敷料等临床场景的开发应用奠定了实验基础。随着后续体内实验的推进，这种智能纳米平台有望成为后抗生素时代的重要技术储备。