當(dāng)今社會(huì)，由致病菌入侵引發(fā)的感染性疾病仍然嚴(yán)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(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多細(xì)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(xì)菌種群之間的快速轉(zhuǎn)移，致病菌正以驚人的速度對(duì)傳統(tǒng)抗生素產(chǎn)生耐藥性。因此，相關(guān)領(lǐng)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(shè)計(jì)多種衍生化結(jié)構(gòu)、探索新途徑等）來提高對(duì)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(dǎo)體、廣譜的光學(xué)響應(yīng)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(rèn)為是解決細(xì)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(jī)理及多功能協(xié)同應(yīng)用等方向尚未明確。

在此背景下，本書以BP 為主要研究對(duì)象，通過對(duì)單純黑磷納米片（BPNs）及BP 基抗菌功能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)合成，闡明了BP 在生物醫(yī)用尤其是抗菌領(lǐng)域的作用效果，并深入探究了其對(duì)多菌種、多介質(zhì)等條件下的抗菌效率、抗菌機(jī)理、生物相容性及功能應(yīng)用等。具體研究?jī)?nèi)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(cè)試證明了其層數(shù)、濃度、作用時(shí)間和光照強(qiáng)度依賴的抗菌行為和高效的抗菌活性。體外細(xì)胞毒性測(cè)試及對(duì)線蟲生長(zhǎng)繁殖的影響探究表明了其良好的生物相容性。溶血性測(cè)試證明了其優(yōu)異的血液相容性。同時(shí)采取活性氧檢測(cè)、染料降解、活性氧捕獲及透析實(shí)驗(yàn)探究了其抗菌行為，闡明了其光動(dòng)力及物理殺菌結(jié)合的協(xié)同抗菌機(jī)理。此外，利用對(duì)BP 的降解性能研究證實(shí)了其降解速率、降解程度及降解產(chǎn)物，并通過為期60 天的耐藥性測(cè)試發(fā)現(xiàn)了BP 可以在高效抗菌的同時(shí)有效避免細(xì)菌耐藥性的產(chǎn)生。以上結(jié)論通過實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算的方式進(jìn)行了充分驗(yàn)證。

②設(shè)計(jì)合成了高分子N-鹵胺改性的BP 基磁性復(fù)合抗菌材料（BP-Fe3O4@PEI-pAMPS-Cl），并探究了其在血液消毒中的應(yīng)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(fù)合，制得了產(chǎn)物BP-Fe3O4@PEI-pAMPS-Cl。利用碘量法及循環(huán)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了產(chǎn)物中活性氯的存在及可反復(fù)“充電”的再生能力，利用磁滯回線、浸出實(shí)驗(yàn)等方式驗(yàn)證了產(chǎn)物的強(qiáng)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(cè)試及對(duì)殺菌后的血液的溶血率、凝血時(shí)間和血成分分析均證明了其在血液消毒領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景。

③受內(nèi)毒素釋放行為啟發(fā)，構(gòu)建了一種BP 基細(xì)胞膜模擬物（BP-PQVI），并探究了其刺激響應(yīng)的抗菌行為。利用BP 與細(xì)胞膜的相似性，并通過刺激響應(yīng)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(nèi)毒素在細(xì)胞膜表面的刺激響應(yīng)釋放行為。通過對(duì)BP-PQVI 的元素含量、表面電位及厚度等的調(diào)控實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞膜的模擬。并通過理論和實(shí)驗(yàn)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(jìng)爭(zhēng)作用、溫度和pH 值的刺激下發(fā)生解離，從而較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)類內(nèi)毒素釋放行為的模擬。此外，靜電相互作用的刺激響應(yīng)性使得PQVI 的釋放行為有效可控，因而使得該細(xì)胞膜模擬物具有刺激響應(yīng)的可控性抗菌行為、抗菌效率高且可促進(jìn)致病菌感染型傷口部位的快速愈合。

④設(shè)計(jì)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(xì)菌的靶標(biāo)、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(xì)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(fù)合制備MAG/VAE@SiO2-BP。通過發(fā)光性能測(cè)定證實(shí)了MAG/ VAE@SiO2-BP 中Eu3+ 的強(qiáng)烈特征發(fā)射及熒光特性。經(jīng)與細(xì)菌共培養(yǎng)，證實(shí)了MAG/VAE@SiO2-BP 可特異性靶標(biāo)E. coli K12，使E. coli K12 呈現(xiàn)清晰的紅色熒光。體外殺菌實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了MAG/VAE@SiO2-BP 對(duì)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(dǎo)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(zhì)酸（HA）和多巴胺（DA）為原料，通過酰胺化反應(yīng)成功制得HA-DA 水凝膠前驅(qū)體，再利用Fe3+ 與DA 的鄰苯二酚基團(tuán)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(dǎo)電水凝膠（HA-DA@BP）。通過對(duì)HA-DA 的添加量和pH 值的調(diào)控實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在電刺激下水凝膠的機(jī)械性能增強(qiáng)，可實(shí)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(shí)經(jīng)過對(duì)水凝膠降解過程的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)水凝膠體系中的BP 可有效和持續(xù)釋放。通過對(duì)電導(dǎo)率的測(cè)定表明了BP 的引入使得水凝膠具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能。采用體外細(xì)胞毒性和抗菌檢測(cè)實(shí)驗(yàn)證明了BP 可在微酸和電刺激下從水凝膠中釋放，不會(huì)對(duì)正常細(xì)胞的存活率產(chǎn)生影響，且可以達(dá)到協(xié)同的抗菌性能，還能夠促進(jìn)創(chuàng)口的快速愈合。

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

劉溫馨

2022年7月