细菌纤维素-二硫化钼基材料的制备及其光敏性能研究

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抗生素在全球范围的过度使用或滥用导致了具有多重耐药性的“超级细菌”的出现和传播,预防病原体感染已成为一个重要的医学和社会问题,发展新型抗菌策略迫在眉睫。近年来,随着科学技术的发展和研究的深入,包括光动力疗法(PDT)和光热疗法(PTT)在内的光驱动疗法,因抗菌活性高迅速发展为新型抗菌技术,受到广泛关注。二硫化钼作为一种可见光响应型光催化剂,具有类似于石墨烯的2D结构,因其具有独特的光学和电子性能、机械性能、光催化和光热性能等优势,在环境和生物医学等领域引起人们越来越多的关注。基于此,本课题将光敏剂二硫化钼进行原位固定处理,即在木醋杆菌培养基中添加一定比例的二硫化钼,制得细菌纤维素/二硫化钼基光敏材料,并对该材料的光动力性能、光热性能以及类过氧化物酶催化活性进行评价,主要研究内容及结论如下:首先,采用生物原位合成法,将光敏剂二硫化钼固定于细菌纤维素上,制备细菌纤维素/二硫化钼复合纳米纤维膜(BC/MoS2),并且通过浸渍法进一步制得细菌纤维素/二硫化钼-壳聚糖复合纤维膜(BC/MoS2-CS)。随后,通过物理表征(SEM、EDS、XRD、TGA)以及化学表征(FTIR、Raman),分析比较负载MoS2和CS前后纤维膜基本形貌、物理化学性能变化;利用底物氧化实验和电子自旋共振波谱仪(EPR)等方法探讨纤维膜的光动力性能,检测分析其在光照条件下产生的活性氧物种(ROS)类型及相对产率。结果显示:MoS2和壳聚糖在细菌纤维素上实现了良好负载。相较于纯BC膜,MoS2和CS的负载,使得BC/MoS2和BC/MoS2-CS的纤维膜表面变得更为致密,二者的负载并没有对纤维膜的亲水性能产生影响,且提高了纤维膜的热学性能;底物氧化实验和EPR测试证明BC/MoS2纤维膜具有良好的光动力性能,在光照条件下产生了多种具有抗菌作用的活性氧物种(ROS),包括Ⅰ型机制的羟基自由基(·OH)和超氧阴离子自由基(O2·-)和Ⅱ型机制的单线态氧(~1O2)。其次,构建光动力疗法(PDT)/光热疗法(PTT)协同抗菌机制,在两种不同光源(氙灯和红外灯)的照射下,测试BC/MoS2和BC/MoS2-CS纤维膜的光热性能及其对革兰氏阳性菌(G+)中金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性菌(G-)中大肠杆菌的抗菌性能,并检验BC/MoS2-CS纤维膜的可重复利用性。接着,在不同光源下(氙灯和普通台灯)连续预照射一段时间,考察材料的光稳定性。最后,利用MTT细胞毒性测试检测纤维膜对小鼠成纤维细胞(L929)的细胞毒性,判断其对哺乳动物细胞的相容性。结果表明:BC/MoS2和BC/MoS2-CS纤维膜具有良好的光热转换性能,在氙灯和红外灯下连续照射15 min后,纤维膜表面温度分别可达50+℃及70+℃;BC/MoS2-CS复合膜表现出优异的抗菌性能,在氙灯照射下(500 W,λ≥420 nm,30 min),对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效率分别达到99.998%和99.988%;在红外灯照射下(100 W,760 nm≤λ≤5000 nm,15 min)对两种细菌的抗菌效率均达到99.999%,抗菌机理表明,阳离子壳聚糖可以改变细菌细胞膜通透性,破坏细菌细胞膜的完整性,可见光照射下热疗(光热作用)和活性氧物种(光动力作用)间的协同作用导致细菌灭活;BC/MoS2-CS复合膜可重复利用性良好,重复使用四次后,抗菌效率仍达到90+%;MoS2光漂白实验结果表明,MoS2的光漂白现象在可控的范围内,不会影响材料的可重复利用性;MTT细胞毒性测试表明BC/MoS2-CS复合纤维膜具有良好的生物相容性,其不会产生具有细胞毒性的浸出物,有望在生物医用抗菌领域,特别是在光动力疗法(PDT)和光热疗法(PTT)相结合的领域发挥应用价值。最后,利用二硫化钼纳米材料具有类过氧化物酶催化活性的特性,采用BC/MoS2+H2O2构建外源性羟基自由基(·OH)增强PDT或PTT体系,采用底物氧化实验和EPR测试分析不同体系中·OH的产率,并探讨BC/MoS2在不同浓度H2O2(0、0.1、1、10和100 mM)条件下对染料类、酚类、醛类等污染物的光降解效率以及在不同光源下对金球菌和大肠杆菌的抗菌性能。甲基紫底物氧化实验以及EPR测试证明BC/MoS2+H2O2增强了体系内·OH的产量,且体系内·OH的产量和H2O2的浓度成正比。多种污染物降解实验表明,在氙灯照射下,BC/MoS2+100 mM H2O2对体系内包括染料(孔雀石绿)、酚类物质(邻苯二酚紫)和醛类物质(甲醛)在内的污染物的光降解效率最强,去除率均达到了95+%,经动力学分析,BC/MoS2+H2O2对污染物的光降解速率符合准一级动力学模型,且在经过4次重复使用后,降解效率仍能达到75+%,证明BC/MoS2纳米复合膜具有良好的循环利用性能,为其在工业污水净化领域的应用提供可能性。抗菌结果表明:在100 mM H2O2存在情况下,氙灯30 min照射下,BC/MoS2对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效率分别达到99.9999%和99.8%;在IR灯5 min照射下,BC/MoS2对两种细菌的灭活效率均达到了检测限99.9999%。光催化机理表明,BC/MoS2能有效催化H2O2分解生成具有强氧化性·OH,高效氧化降解多种污染物,并诱导细菌氧化应激。此外,ROS和PTT之间的协同作用进一步导致细菌死亡。BC/MoS2+H2O2有望作为杀菌材料或光催化剂在病原体感染控制和纺织废水处理领域发挥应用价值。
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