牛津大学Nat. Nanotech.：具有抗菌活性和细菌绑定能力的超顺磁镍胶体纳米晶体簇

【引言】

自 20世纪30年代以来，抗生素被成功的分离，识别和量产，从而导致细菌感染引起的死亡率急剧下降，而金属的抗菌使用率随之下降。然而，由抗药性的细菌引起的传染性疾病时有发生，因为细菌本身会不断演化使之对一种或多种抗生素具有抗药性 。近年，细菌感染呈上升趋势，人们已经逐渐减轻了抗生素的使用，并寻找可替代的抗菌策略，以避免细菌可能对新抗生素产生进一步抗药性。最近，纳米粒子对各种细菌表现出优异的抗菌活性和产生的独特性能，从而备受关注。此外，当铁磁体或亚铁磁体中的磁偶极子被限制在纳米尺度时，室温下表现出超顺磁性。基于纳米粒子固有的特征和使其表面功能化的潜力，从基础和实用的抗菌角度出发，一类特殊的纳米金属材料 - 铁基体系因其磁性可回收性和细菌良性而被广泛用作药物递送的纳米载体。然而，连接磁性纳米载体和细菌的功能单体难以制备。引入替代铁基体系的磁性材料可以避免在选择和制备这些功能单体过程中遇到的问题，并且有可能引入潜在的，可以用于抗微生物应用的新性能。

【成果简介】

近日，牛津大学Bo Peng (彭勃) 和Roel P. A. Dullens（共同通讯作者）课题组在Nat. Nanotech.上发表了题为“Superparamagnetic nickel colloidal nanocrystal clusters with antibacterial activity and bacteria binding ability” 的文章。研究团队报告了具有抗菌活性和细菌绑定特性的超顺磁镍胶体纳米晶体簇（SNCNCs）的简单液相合成。 并发现镍纳米晶会自发地自组装成尺寸可调和磁矩可调的SNCNCs。 另外，SNCNC与细菌的绑定模式是物种依赖性的。 SNCNC的绑定和抗菌活性的组合允许超过99.99％的革兰氏阳性（枯草芽孢杆菌）和革兰氏阴性（大肠杆菌）细菌被捕获，杀死并磁性去除。更重要的是，绑定和杀死细菌不是同时实现的，这使的细菌的提取和操作成为可能。 此外，该绑定特性也适用于（枯草芽孢杆菌）孢子，为消除和提取这些难以对付的细菌孢子提供了有价值的途径。

【图文导读】

图1 SNCNCs的形成和表征。

（a）SNCNCs的形成制备示意图；

（b）1分钟的代表性实验TEM观察b中的插图显示1分钟时的较高放大率图像；

（c）20分钟的代表性实验TEM观察；

（d）1小时的代表性实验TEM观察；

（e）代表性的高分辨率TEM结果揭示了团簇结构；

（f）能量色散X射线光谱、（g）X射线衍射证实了团簇的镍性质；

（h）作为外部磁场H和磁化率χ的函数的质量磁矩M的温度（T）依赖性。 插图，外场冷却（FC）和零场冷却（ZFC）曲线；

图2 SNCNCs的尺寸和磁化操作。

     NaOH和NiCl₂之间的摩尔比从5:2（a）增加到7.5:2（b），12.5:2（c）和17.5:2（d）来说明尺寸的可调性的代表性扫描电子显微镜图像；

（e）a-d中样品的尺寸分布；

（f）质量磁矩M的温度依赖性。在200℃合成的SNCNCs的M如图1h所示。 插图，SNCNCs在水溶液中的循环可分散性（在200℃下生产的SNCNCs）；

（g）温度对饱和M和每纳米晶粒磁化的影响比较（μ），其中μ_B是玻尔磁子。

图3 SNCNCs的抗菌活性和绑定能力。

（a）SNCNCs和超顺磁性Fe₃O₄胶体纳米晶体（SFCNs）绑定枯草芽孢杆菌的比较；

（b）结合枯草芽孢杆菌的SNCNCs的代表性显微镜观察；

（c）SNCNCs和SFCNs之间的抗菌活性对比；

（d-f）与a-c的实验过程相同但是大肠杆菌被用于实验对象。 插入b和e的蓝色箭头指示附着于细菌的SNCNC。

图4 SNCNCs的结合和抗菌活性的定量分析。

（a）枯草芽孢杆菌、（b）大肠杆菌的总细菌活力（代表抗菌活性）和未绑定的细菌存活力（反映细菌绑定效力）随时间和SNCNC浓度的变化；

 （c）枯草芽孢杆菌（每个循环中相同的SNCNCs与约1×10⁶枯草芽孢杆菌细菌混合），（d）枯草芽孢杆菌的细菌孢子的SNCNCs（0.5mg）的可重复利用性。

【小结】

总之，该研究团队展示了超顺磁性镍胶体纳米晶体簇（SNCNCs）的一步合成，其表现出对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌以及细菌孢子的抗菌和捕获能力。在极性高温介质中首先形成镍纳米颗粒，并进而自组装成团簇，从而最终得到SNCNCs。 通过分别改变反应温度和反应物浓度，可以容易地调整SNCNCs的磁性和形态。 此外，作者定量表征了SNCNCs的抗菌活性，并确定了SNCNCs对细菌和孢子的捕获能力。 这项工作为细菌和细菌孢子的去除或提取提供了有效的途径，并且代表了纳米技术和抗微生物策略的有效结合的例子。

文献链接： 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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