牛津大學Nat. Nanotech.：具有抗菌活性和細菌綁定能力的超順磁鎳膠體納米晶體簇

【引言】

自 20世紀30年代以來，抗生素被成功的分離，識別和量產，從而導致細菌感染引起的死亡率急劇下降，而金屬的抗菌使用率隨之下降。然而，由抗藥性的細菌引起的傳染性疾病時有發生，因為細菌本身會不斷演化使之對一種或多種抗生素具有抗藥性 。近年，細菌感染呈上升趨勢，人們已經逐漸減輕了抗生素的使用，并尋找可替代的抗菌策略，以避免細菌可能對新抗生素產生進一步抗藥性。最近，納米粒子對各種細菌表現出優異的抗菌活性和產生的獨特性能，從而備受關注。此外，當鐵磁體或亞鐵磁體中的磁偶極子被限制在納米尺度時，室溫下表現出超順磁性。基于納米粒子固有的特征和使其表面功能化的潛力，從基礎和實用的抗菌角度出發，一類特殊的納米金屬材料 - 鐵基體系因其磁性可回收性和細菌良性而被廣泛用作藥物遞送的納米載體。然而，連接磁性納米載體和細菌的功能單體難以制備。引入替代鐵基體系的磁性材料可以避免在選擇和制備這些功能單體過程中遇到的問題，并且有可能引入潛在的，可以用于抗微生物應用的新性能。

【成果簡介】

近日，牛津大學Bo Peng (彭勃) 和Roel P. A. Dullens（共同通訊作者）課題組在Nat. Nanotech.上發表了題為“Superparamagnetic nickel colloidal nanocrystal clusters with antibacterial activity and bacteria binding ability” 的文章。研究團隊報告了具有抗菌活性和細菌綁定特性的超順磁鎳膠體納米晶體簇（SNCNCs）的簡單液相合成。 并發現鎳納米晶會自發地自組裝成尺寸可調和磁矩可調的SNCNCs。 另外，SNCNC與細菌的綁定模式是物種依賴性的。 SNCNC的綁定和抗菌活性的組合允許超過99.99％的革蘭氏陽性（枯草芽孢桿菌）和革蘭氏陰性（大腸桿菌）細菌被捕獲，殺死并磁性去除。更重要的是，綁定和殺死細菌不是同時實現的，這使的細菌的提取和操作成為可能。 此外，該綁定特性也適用于（枯草芽孢桿菌）孢子，為消除和提取這些難以對付的細菌孢子提供了有價值的途徑。

【圖文導讀】

圖1 SNCNCs的形成和表征。

（a）SNCNCs的形成制備示意圖；

（b）1分鐘的代表性實驗TEM觀察b中的插圖顯示1分鐘時的較高放大率圖像；

（c）20分鐘的代表性實驗TEM觀察；

（d）1小時的代表性實驗TEM觀察；

（e）代表性的高分辨率TEM結果揭示了團簇結構；

（f）能量色散X射線光譜、（g）X射線衍射證實了團簇的鎳性質；

（h）作為外部磁場H和磁化率χ的函數的質量磁矩M的溫度（T）依賴性。 插圖，外場冷卻（FC）和零場冷卻（ZFC）曲線；

圖2 SNCNCs的尺寸和磁化操作。

? ? ?NaOH和NiCl₂之間的摩爾比從5:2（a）增加到7.5:2（b），12.5:2（c）和17.5:2（d）來說明尺寸的可調性的代表性掃描電子顯微鏡圖像；

（e）a-d中樣品的尺寸分布；

（f）質量磁矩M的溫度依賴性。在200℃合成的SNCNCs的M如圖1h所示。 插圖，SNCNCs在水溶液中的循環可分散性（在200℃下生產的SNCNCs）；

（g）溫度對飽和M和每納米晶粒磁化的影響比較（μ），其中μ_B是玻爾磁子。

圖3 SNCNCs的抗菌活性和綁定能力。

（a）SNCNCs和超順磁性Fe₃O₄膠體納米晶體（SFCNs）綁定枯草芽孢桿菌的比較；

（b）結合枯草芽孢桿菌的SNCNCs的代表性顯微鏡觀察；

（c）SNCNCs和SFCNs之間的抗菌活性對比；

（d-f）與a-c的實驗過程相同但是大腸桿菌被用于實驗對象。 插入b和e的藍色箭頭指示附著于細菌的SNCNC。

圖4 SNCNCs的結合和抗菌活性的定量分析。

（a）枯草芽孢桿菌、（b）大腸桿菌的總細菌活力（代表抗菌活性）和未綁定的細菌存活力（反映細菌綁定效力）隨時間和SNCNC濃度的變化；

?（c）枯草芽孢桿菌（每個循環中相同的SNCNCs與約1×10⁶枯草芽孢桿菌細菌混合），（d）枯草芽孢桿菌的細菌孢子的SNCNCs（0.5mg）的可重復利用性。

【小結】

總之，該研究團隊展示了超順磁性鎳膠體納米晶體簇（SNCNCs）的一步合成，其表現出對革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌以及細菌孢子的抗菌和捕獲能力。在極性高溫介質中首先形成鎳納米顆粒，并進而自組裝成團簇，從而最終得到SNCNCs。 通過分別改變反應溫度和反應物濃度，可以容易地調整SNCNCs的磁性和形態。 此外，作者定量表征了SNCNCs的抗菌活性，并確定了SNCNCs對細菌和孢子的捕獲能力。 這項工作為細菌和細菌孢子的去除或提取提供了有效的途徑，并且代表了納米技術和抗微生物策略的有效結合的例子。

文獻鏈接： Superparamagnetic nickel colloidal nanocrystal clusters with antibacterial activity and bacteria binding ability（Nat. Nanotech. 2018 doi:10.1038/s41565-018-0108-0）

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