當今社會，由致病菌入侵引發(fā)的感染性疾病仍然嚴重威脅著人類的生命健康。雖然隨著公共衛(wèi)生和生物醫(yī)學技術的發(fā)展，許多細菌感染已被有效地抑制甚至征服，但微生物入侵造成的發(fā)病率和死亡率一直居高不下。尤其是由于抗生素的過度使用和耐藥基因在細菌種群之間的快速轉移，致病菌正以驚人的速度對傳統(tǒng)抗生素產生耐藥性。因此，相關領域的研究人員正在嘗試開發(fā)多種方法（如開發(fā)新型抗菌劑、設計多種衍生化結構、探索新途徑等）來提高對病原菌的抗菌效率。在眾多抗菌材料中，二維黑磷（BP）憑借直接帶隙半導體、廣譜的光學響應性和高生物相容性等優(yōu)異特性成為二維材料家族中的新星，尤其是其生物降解性被認為是解決細菌耐藥性的可行策略之一，這成為BP 優(yōu)于其他抗菌材料的重要原因。然而BP 的殺菌效率、機理及多功能協(xié)同應用等方向尚未明確。

在此背景下，本書以BP 為主要研究對象，通過對單純黑磷納米片（BPNs）及BP 基抗菌功能復合材料的設計合成，闡明了BP 在生物醫(yī)用尤其是抗菌領域的作用效果，并深入探究了其對多菌種、多介質等條件下的抗菌效率、抗菌機理、生物相容性及功能應用等。具體研究內容如下。

①采用堿性溶劑剝離法，成功制備了薄層BPNs。體外抗菌測試證明了其層數(shù)、濃度、作用時間和光照強度依賴的抗菌行為和高效的抗菌活性。體外細胞毒性測試及對線蟲生長繁殖的影響探究表明了其良好的生物相容性。溶血性測試證明了其優(yōu)異的血液相容性。同時采取活性氧檢測、染料降解、活性氧捕獲及透析實驗探究了其抗菌行為，闡明了其光動力及物理殺菌結合的協(xié)同抗菌機理。此外，利用對BP 的降解性能研究證實了其降解速率、降解程度及降解產物，并通過為期60 天的耐藥性測試發(fā)現(xiàn)了BP 可以在高效抗菌的同時有效避免細菌耐藥性的產生。以上結論通過實驗和理論計算的方式進行了充分驗證。

②設計合成了高分子N-鹵胺改性的BP 基磁性復合抗菌材料（BP-Fe3O4@PEI-pAMPS-Cl），并探究了其在血液消毒中的應用。以BP 為基底，通過靜電相互作用先后與可循環(huán)抗菌的高分子N-鹵胺與可磁性回收的Fe3O4 納米顆粒復合，制得了產物BP-Fe3O4@PEI-pAMPS-Cl。利用碘量法及循環(huán)實驗證實了產物中活性氯的存在及可反復“充電”的再生能力，利用磁滯回線、浸出實驗等方式驗證了產物的強磁性和穩(wěn)定的可磁性回收性。BP-Fe3O4@PEI-pAMPS-Cl 的體外抗菌效率及循環(huán)抗菌實驗結果表明其優(yōu)異的協(xié)同抗菌性及20 次循環(huán)穩(wěn)定性。此外，在靜態(tài)血液和不同血流量下循環(huán)血液的抗菌測試及對殺菌后的血液的溶血率、凝血時間和血成分分析均證明了其在血液消毒領域的巨大應用前景。

③受內毒素釋放行為啟發(fā)，構建了一種BP 基細胞膜模擬物（BP-PQVI），并探究了其刺激響應的抗菌行為。利用BP 與細胞膜的相似性，并通過刺激響應型的靜電相互作用在BP 表面引入抗菌性季銨鹽（PQVI），從而模擬內毒素在細胞膜表面的刺激響應釋放行為。通過對BP-PQVI 的元素含量、表面電位及厚度等的調控實現(xiàn)了對細胞膜的模擬。并通過理論和實驗的探究發(fā)現(xiàn)BP 和PQVI 之間的靜電相互作用可在金屬離子、其他競爭作用、溫度和pH 值的刺激下發(fā)生解離，從而較好地實現(xiàn)了對類內毒素釋放行為的模擬。此外，靜電相互作用的刺激響應性使得PQVI 的釋放行為有效可控，因而使得該細胞膜模擬物具有刺激響應的可控性抗菌行為、抗菌效率高且可促進致病菌感染型傷口部位的快速愈合。

④設計合成了Eu3+/ 糖雙功能改性的二維BP 基多功能抗菌材料（MAG/ VAE@SiO2-BP），可用于細菌的靶標、成像及抗感染治療。通過St.ber 法制備SiO2 微球，并采用自由基聚合的方法將Eu3+（熒光成像）和糖（特異性靶向細菌）修飾在SiO2 微球表面，再利用Eu3+ 和BP 之間形成P-Eu 配位鍵，最終復合制備MAG/VAE@SiO2-BP。通過發(fā)光性能測定證實了MAG/ VAE@SiO2-BP 中Eu3+ 的強烈特征發(fā)射及熒光特性。經與細菌共培養(yǎng)，證實了MAG/VAE@SiO2-BP 可特異性靶標E. coli K12，使E. coli K12 呈現(xiàn)清晰的紅色熒光。體外殺菌實驗進一步證明了MAG/VAE@SiO2-BP 對大腸桿菌（E. coli K12）具有良好的靶向殺菌能力，明顯優(yōu)于金黃色葡萄球菌（S. aureus ）。

⑤制備了一種BP 基導電水凝膠，利用其電刺激智能釋放特性用于創(chuàng)口愈合治療。選用透明質酸（HA）和多巴胺（DA）為原料，通過酰胺化反應成功制得HA-DA 水凝膠前驅體，再利用Fe3+ 與DA 的鄰苯二酚基團間的配位作用，制備了HA-DA 水凝膠，再向水凝膠體系引入BP 得到BP 基導電水凝膠（HA-DA@BP）。通過對HA-DA 的添加量和pH 值的調控實驗，發(fā)現(xiàn)在電刺激下水凝膠的機械性能增強，可實現(xiàn)在堿性環(huán)境下成膠、在微酸性環(huán)境中降解的目的，同時經過對水凝膠降解過程的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)水凝膠體系中的BP 可有效和持續(xù)釋放。通過對電導率的測定表明了BP 的引入使得水凝膠具有優(yōu)異的導電性能。采用體外細胞毒性和抗菌檢測實驗證明了BP 可在微酸和電刺激下從水凝膠中釋放，不會對正常細胞的存活率產生影響，且可以達到協(xié)同的抗菌性能，還能夠促進創(chuàng)口的快速愈合。

本書在撰寫過程中得到了內蒙古大學董阿力德爾圖教授的指導與幫助，在此表示感謝。限于撰寫時間及水平，書中不妥及疏漏之處在所難免，敬請讀者批評指正。

劉溫馨

2022年7月