二维黑磷基抗菌材料的设计合成及应用

1.本书主要介绍了通过剥离单纯BPNs及构建多种复合及多功能抗菌材料对二维BP基抗菌材料在生物医用领域尤其是抗菌方向的应用进展，阐明了二维BP材料的抗菌和抗耐药性机制，大大丰富了其在医用领域的应用范围。 2.本书研究目标明确，对国内外该领域发展现状的归纳总结全面，评述怡当，有助于专业读者掌握本领域的发展动态和趋势。 3.采用计算模拟的方法开展的研究对阐明抗菌机理及抗菌材料的开发应用具有一定的指导作用，对抗菌材料的发展具有推动作用。

当今社会，由致病菌入侵引发的感染性疾病仍然严重威胁着人类的生命健康。虽然随着公共卫生和生物医学技术的发展，许多细菌感染已被有效地抑制甚至征服，但微生物入侵造成的发病率和死亡率一直居高不下。尤其是由于抗生素的过度使用和耐药基因在细菌种群之间的快速转移，致病菌正以惊人的速度对传统抗生素产生耐药性。因此，相关领域的研究人员正在尝试开发多种方法（如开发新型抗菌剂、设计多种衍生化结构、探索新途径等）来提高对病原菌的抗菌效率。在众多抗菌材料中，二维黑磷（BP）凭借直接带隙半导体、广谱的光学响应性和高生物相容性等优异特性成为二维材料家族中的新星，尤其是其生物降解性被认为是解决细菌耐药性的可行策略之一，这成为BP 优于其他抗菌材料的重要原因。然而BP 的杀菌效率、机理及多功能协同应用等方向尚未明确。
在此背景下，本书以BP 为主要研究对象，通过对单纯黑磷纳米片（BPNs）及BP 基抗菌功能复合材料的设计合成，阐明了BP 在生物医用尤其是抗菌领域的作用效果，并深入探究了其对多菌种、多介质等条件下的抗菌效率、抗菌机理、生物相容性及功能应用等。具体研究内容如下。
①采用碱性溶剂剥离法，成功制备了薄层BPNs。体外抗菌测试证明了其层数、浓度、作用时间和光照强度依赖的抗菌行为和高效的抗菌活性。体外细胞毒性测试及对线虫生长繁殖的影响探究表明了其良好的生物相容性。溶血性测试证明了其优异的血液相容性。同时采取活性氧检测、染料降解、活性氧捕获及透析实验探究了其抗菌行为，阐明了其光动力及物理杀菌结合的协同抗菌机理。此外，利用对BP 的降解性能研究证实了其降解速率、降解程度及降解产物，并通过为期60 天的耐药性测试发现了BP 可以在高效抗菌的同时有效避免细菌耐药性的产生。以上结论通过实验和理论计算的方式进行了充分验证。
②设计合成了高分子N-卤胺改性的BP 基磁性复合抗菌材料（BP-Fe3O4@PEI-pAMPS-Cl），并探究了其在血液消毒中的应用。以BP 为基底，通过静电相互作用先后与可循环抗菌的高分子N-卤胺与可磁性回收的Fe3O4 纳米颗粒复合，制得了产物BP-Fe3O4@PEI-pAMPS-Cl。利用碘量法及循环实验证实了产物中活性氯的存在及可反复“充电”的再生能力，利用磁滞回线、浸出实验等方式验证了产物的强磁性和稳定的可磁性回收性。BP-Fe3O4@PEI-pAMPS-Cl 的体外抗菌效率及循环抗菌实验结果表明其优异的协同抗菌性及20 次循环稳定性。此外，在静态血液和不同血流量下循环血液的抗菌测试及对杀菌后的血液的溶血率、凝血时间和血成分分析均证明了其在血液消毒领域的巨大应用前景。
③受内毒素释放行为启发，构建了一种BP 基细胞膜模拟物（BP-PQVI），并探究了其刺激响应的抗菌行为。利用BP 与细胞膜的相似性，并通过刺激响应型的静电相互作用在BP 表面引入抗菌性季铵盐（PQVI），从而模拟内毒素在细胞膜表面的刺激响应释放行为。通过对BP-PQVI 的元素含量、表面电位及厚度等的调控实现了对细胞膜的模拟。并通过理论和实验的探究发现BP 和PQVI 之间的静电相互作用可在金属离子、其他竞争作用、温度和pH 值的刺激下发生解离，从而较好地实现了对类内毒素释放行为的模拟。此外，静电相互作用的刺激响应性使得PQVI 的释放行为有效可控，因而使得该细胞膜模拟物具有刺激响应的可控性抗菌行为、抗菌效率高且可促进致病菌感染型伤口部位的快速愈合。
④设计合成了Eu3+/ 糖双功能改性的二维BP 基多功能抗菌材料（MAG/ VAE@SiO2-BP），可用于细菌的靶标、成像及抗感染治疗。通过St.ber 法制备SiO2 微球，并采用自由基聚合的方法将Eu3+（荧光成像）和糖（特异性靶向细菌）修饰在SiO2 微球表面，再利用Eu3+ 和BP 之间形成P-Eu 配位键，最终复合制备MAG/VAE@SiO2-BP。通过发光性能测定证实了MAG/ VAE@SiO2-BP 中Eu3+ 的强烈特征发射及荧光特性。经与细菌共培养，证实了MAG/VAE@SiO2-BP 可特异性靶标E. coli K12，使E. coli K12 呈现清晰的红色荧光。体外杀菌实验进一步证明了MAG/VAE@SiO2-BP 对大肠杆菌（E. coli K12）具有良好的靶向杀菌能力，明显优于金黄色葡萄球菌（S. aureus ）。
⑤制备了一种BP 基导电水凝胶，利用其电刺激智能释放特性用于创口愈合治疗。选用透明质酸（HA）和多巴胺（DA）为原料，通过酰胺化反应成功制得HA-DA 水凝胶前驱体，再利用Fe3+ 与DA 的邻苯二酚基团间的配位作用，制备了HA-DA 水凝胶，再向水凝胶体系引入BP 得到BP 基导电水凝胶（HA-DA@BP）。通过对HA-DA 的添加量和pH 值的调控实验，发现在电刺激下水凝胶的机械性能增强，可实现在碱性环境下成胶、在微酸性环境中降解的目的，同时经过对水凝胶降解过程的监测发现水凝胶体系中的BP 可有效和持续释放。通过对电导率的测定表明了BP 的引入使得水凝胶具有优异的导电性能。采用体外细胞毒性和抗菌检测实验证明了BP 可在微酸和电刺激下从水凝胶中释放，不会对正常细胞的存活率产生影响，且可以达到协同的抗菌性能，还能够促进创口的快速愈合。
本书在撰写过程中得到了内蒙古大学董阿力德尔图教授的指导与帮助，在此表示感谢。限于撰写时间及水平，书中不妥及疏漏之处在所难免，敬请读者批评指正。

刘温馨
2022年7月

刘温馨，内蒙古大学博士，现内蒙古民族大学化学与材料学院讲师，博士在读期间在BP基生物医用抗菌功能材料的设计合成与性能调控方面积累了丰富的研究经验，在Advanced Science、Chemical Engineering Journal、Journal of Hazardous Materials、Chemistry-A European Journal、ACS Applied Materials & Interfaces、Colloid and Interface Science Communications等国际学术期刊上以一作或共同一作身份发表SCI论文6篇；参与了自然科学基金项目，开展了微生物污染控制技术相关领域的研究工作，积累了丰富的科研经验，并取得了阶段性的成果。

二维黑磷（BP）以其优异的特性被作为重要的抗菌材料开发使用。本书以二维黑磷（BP）为主要研究对象，介绍了作者构建的多种黑磷基材料及其在抗菌领域的应用，具体包括：采用碱性溶剂剥离法制备了薄层BPNs，通过实验和测试证明了其良好的生物相容性和血液相容性、探究了其抗菌行为和机理，并发现其还可有效避免细菌耐药性；设计合成了可用于血液消毒领域的BP基磁性复合抗菌材料，通过实验验证了其强磁性和可磁性回收性；构建了可促进致病菌感染型伤口快速愈合的BP基细胞膜模拟物并探究了其刺激响应的抗菌行为；设计合成了可用于细菌靶标、成像及抗感染治疗的二维BP基多功能抗菌材料，通过实验验证了其良好的靶向杀菌能力；制备了一种具有电刺激智能释放特性的BP基导电水凝胶，可用于协同抗菌剂创口愈合治疗。
本书具有较强的专业性、参考性，可供研究、设计、开发抗菌材料的科研人员和管理人员参考，也可供材料科学与工程、生物工程及相关专业师生参阅。

第1章 绪论 001 
1.1　引言 002 
1.2　抗菌剂的研究背景 005 
1.2.1　单一抗菌剂 005 
1.2.2　复合抗菌剂 010 
1.2.3　多功能抗菌剂 012 
1.3　二维材料概述与分类 014 
1.3.1　概述 014 
1.3.2　第四主族元素二维材料 017 
1.3.3　第五主族元素二维材料 020 
1.3.4　二维抗菌材料 024 
1.4　二维黑磷的研究背景 027 
1.4.1　概述 027 
1.4.2　剥离方法 028 
1.4.3　BP 抗菌剂的优势 032 
1.4.4　杀菌机理及应用 034 
1.5　二维黑磷在抗菌领域的应用研究意义 037 
1.6　本书内容组织构架 038 
参考文献 039 

第2章 二维黑磷纳米片的剥离及其抗菌作用机制研究 057 
2.1　引言 058 
2.2　实验部分 059 
2.2.1　试剂与仪器 059 
2.2.2　BPNs 的剥离 061 
2.2.3　细菌培养基的配制 061 
2.2.4　固体培养基的灌制 062 
2.2.5　细菌的活化与扩大培养 062 
2.2.6　BPNs 的抗菌性能测试 063 
2.2.7　细菌的形貌测定 063 
2.2.8　BPNs 的细胞毒性和溶血性测试 064 
2.2.9　1,3-二苯基异苯并呋喃的降解实验 066 
2.2.10　活性氧捕获抗菌实验 066 
2.2.11　透析袋实验 066 
2.2.12　BPNs 的降解实验 067 
2.2.13　细菌的耐药性测试 067 
2.2.14　理论计算 067 
2.3　结果与讨论 068 
2.3.1　BPNs 的制备表征 068 
2.3.2　BPNs 的抗菌性能表征 072 
2.3.3　BPNs 的生物相容性和毒性表征 077 
2.3.4　BPNs 与其他二维材料的抗菌及毒性对比测试 081 
2.3.5　BPNs 的抗菌机理探究 082 
2.3.6　BPNs 的生物降解性表征 087 
2.3.7　BPNs 的耐药性探究 090 
2.3.8　理论计算模拟探究 091 
2.4　本章小结 096 
参考文献 097 

第3章 高分子N-卤胺改性黑磷基磁性抗菌材料的制备及其在血液消毒中的应用研究100
3.1　引言101
3.2　实验102
3.2.1　试剂与仪器 102 
3.2.2　BPNs 的剥离 104 
3.2.3　pAMPS 的合成 104 
3.2.4　pAMPS-Cl 的合成 104 
3.2.5　Fe3O4@PEI 的制备 105 
3.2.6　BP-Fe3O4@PEI-pAMPS-Cl 的制备 105 
3.2.7　有效氯的测定 105 
3.2.8　BP-Fe3O4@PEI-pAMPS-Cl 的抗菌性能检测 106 
3.2.9　循环杀菌能力测试 106 
3.2.10　静态血液的抗菌检测 107 
3.2.11　动态血液的抗菌检测 107 
3.2.12　血液成分分析 108 
3.2.13　溶血性测试 108 
3.2.14　细胞毒性测试 108 
3.2.15　凝血时间测定 109 
3.3　结果与讨论109
3.3.1　Fe3O4@PEI 的表征 109 
3.3.2　pAMPS-Cl 的制备及氯化表征 110 
3.3.3　BP-Fe3O4@PEI-pAMPS-Cl 的结构及粒径表征 114 
3.3.4　磁性及可回收性能检测 119 
3.3.5　杀菌性能及循环抗菌测定 121 
3.3.6　BP-Fe3O4@PEI-pAMPS-Cl 在静态和动态血液中的杀菌能力 126 
3.3.7　血液生化指标表征 128 
3.4　本章小结131
参考文献 132 

第4章 受内毒素释放行为启发的黑磷基细胞膜模拟物的构建及其刺激响应抗菌行为研究136 
4.1　引言137
4.2　实验部分139
4.2.1　试剂与仪器 139 
4.2.2　BPNs 的剥离制备 141 
4.2.3　【PQVI】Br 的合成 141 
4.2.4　BP-PQVI 的制备 141 
4.2.5　BP-BG 的制备 141 
4.2.6　UV 检测BP-BG 的分解 142 
4.2.7　Zeta 电位检测BP-BG 的分解 142 
4.2.8　理论计算 142 
4.2.9　BP-PQVI 的抗菌测试 143 
4.2.10　BP-PQVI 在外界刺激下的抗菌能力检测 143 
4.2.11　最小抑菌浓度测定 143 
4.2.12　活/ 死细胞检测 144 
4.2.13　细菌形貌的测定 144 
4.2.14　小鼠创口愈合实验 144 
4.3　结果与讨论145
4.3.1　BP-PQVI 的制备表征 145 
4.3.2　BP-PQVI 用于模拟细胞膜的调控 149 
4.3.3　BP 基细胞膜模拟物的可控释放行为 153 
4.3.4　BP 基细胞膜模拟物的可控释放行为的理论计算探究 157 
4.3.5　BP-PQVI 的抗菌性及可控杀菌能力的测定 161 
4.3.6　小鼠表皮创口感染的愈合测试 165 
4.4　本章小结170
参考文献 171 

第5章 Eu3+/ 糖双功能改性二维黑磷用于细菌的靶标、成像及抗感染治疗175 
5.1　引言176
5.2　实验部分178
5.2.1　试剂与仪器 178 
5.2.2　SiO2 微球的制备 180 
5.2.3　TPM@SiO2 微球的制备 180 
5.2.4　MAG 的合成 181 
5.2.5　MAG/VAS@SiO2 的制备 181 
5.2.6　EuCl3 的制备 181 
5.2.7　MAG/VAE@SiO2 的制备 182 
5.2.8　MAG/VAE@SiO2-BP 的制备 182 
5.2.9　MAG/VAE@SiO2-BP 的荧光发射光谱测定 182 
5.2.10　MAG/VAE@SiO2-BP 在菌液中的发光性能测定 182 
5.2.11　荧光成像能力的检测 182 
5.2.12　不同浓度混合菌中靶向成像能力的检测 183 
5.2.13　杀菌能力的测定 183 
5.2.14　细菌形貌分析 184 
5.3　结果与讨论184
5.3.1　MAG/VAE@SiO2-BP 的制备表征 184 
5.3.2　发光性能表征 190 
5.3.3　细菌的靶向及选择性成像能力表征 193 
5.3.4　验证靶向杀菌来源 195 
5.3.5　验证MAG/VAE@SiO2-BP 的可控及靶向杀菌能力 196 
5.4　本章小结199
参考文献 201 

第6章 黑磷基导电水凝胶的制备及在创口处的电刺激智能黑磷释放行为的研究203 
6.1　引言204
6.2　实验部分206
6.2.1　试剂与仪器 206 
6.2.2　HA-DA 的制备 207 
6.2.3　HA-DA 水凝胶的配制 207 
6.2.4　HA-DA@BP 水凝胶的配制 208 
6.2.5　HA-DA 水凝胶中DA 含量的检测 208 
6.2.6　不同pH 值下HA-DA 水凝胶溶胀率的测定 208 
6.2.7　HA-DA 和HA-DA@BP 水凝胶机械性能的测定 209 
6.2.8　水凝胶降解过程中电导率的测定 209 
6.2.9　电刺激下水凝胶的降解程度的检测 209 
6.2.10　HA-DA 及HA-DA@BP 水凝胶的稳定性测定 210 
6.2.11　HA-DA@BP 水凝胶降解后BP 的释放检测 210 
6.2.12　细胞毒性的测定 210 
6.2.13　水凝胶的电刺激杀菌能力测定 210 
6.2.14　水凝胶促进伤口愈合能力的检测 211 
6.3　结果与讨论212
6.3.1　HA-DA 水凝胶中DA 含量的测定 212 
6.3.2　HA-DA 水凝胶的成胶状态调控 213 
6.3.3　HA-DA@BP 水凝胶的成胶状态调控 219 
6.3.4　水凝胶的导电能力的表征 221 
6.3.5　水凝胶的降解性能探究 222 
6.3.6　水凝胶在模拟创口环境下的导电率的变化 227 
6.3.7　BP 的释放表征 227 
6.3.8　水凝胶细胞毒性及电杀菌性表征 229 
6.3.9　水凝胶促进伤口愈合能力的表征 231 
6.4　本章小结235
参考文献 237 

第7章 总结与展望241 
7.1　总结242
7.2　展望244