近年來，抗生素耐藥性是一個(gè)棘手的問題。長(zhǎng)期全身性抗生素治療往往會(huì)導(dǎo)致多種意想不到的副作用，這增加了醫(yī)療系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。隨著納米材料技術(shù)的發(fā)展，防止生物膜形成的抗菌涂層具有良好的發(fā)展前景。研究表明，一些天然提取物被發(fā)現(xiàn)具有有效的殺菌作用，包括水楊酸、天然漆樹酸、水楊酸衍生物、和漆樹酸類似物。它們對(duì)各種微生物的抗菌活性主要?dú)w因于兩親結(jié)構(gòu)，尤其是-OH 和-COOH基團(tuán)，這與碳基納米材料表面常見的含氧官能團(tuán)相吻合，例如，羥基（C-O)、環(huán)氧化物 (C-O-C)、羰基 (C=O) 和羧基 (COOH)。
鑒于此，上海交通大學(xué)張亞非/李新紅/張耀中合作團(tuán)隊(duì)，采用溶膠-凝膠法制備端氧納米金剛石涂層（NDCs），以水解和聚合的硅溶膠作為網(wǎng)絡(luò)框架，使NDs暴露在涂層表面，導(dǎo)致NDs和細(xì)菌之間的接觸面積增大，對(duì)革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌均表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌性能。相關(guān)工作以“Antibacterial Property of Oxygen-Terminated Carbon Bonds”為題，發(fā)表在《Advanced Functional Materials》。通過溶膠-凝膠法合成氧封端的NDCs。根據(jù)涂層中NDs的含量比例制備4個(gè)NDCs試件，分別為Control、NDC-1、NDC-2和NDC-3。NDs在基板表面上的均勻分布允許 NDs 和細(xì)菌之間的密切和迅速的接觸。對(duì)照和NDCs的涂層厚度均為0.8 ± 0.2 μm，而 NDCs的粗糙度相對(duì)較高。EDS映射和X射線光電子能譜儀（XPS）結(jié)果證實(shí)了 C、Si 和O在NDCs表面上的存在及其均勻分布。圖2：涂層的表征。(a, b) NDC的AFM圖像。(c) NDC的FESEM圖像。(d) Si、(e) O 和 (f) C元素分布。 (g) FTIR光譜。 (h) 涂層的XRD圖譜。NDCs的高分辨率XPS光譜，包括 (i) C 1s 和 (j) O 1s。(k) 涂層的Zeta電位。通過熒光顯微成像評(píng)估NDCs的抗菌活性。綠色和紅色熒光分別代表活細(xì)菌和死細(xì)菌（細(xì)胞膜受損）?？梢杂^察到，在孵育12小時(shí)后，與 NDC-3相比，對(duì)照組中存活的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌數(shù)量是NDC-3的兩倍以上，這表明氧封端的ND比原始的 ND更具殺菌性。在37 °C下生長(zhǎng)24小時(shí)后，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌在瓊脂板上的狀況表明，存活細(xì)菌的數(shù)量隨著NDs的濃度而變化，其中NDC-3的存活細(xì)菌比其他標(biāo)本最少?？梢钥闯觯瑑煞N細(xì)菌的CFU變化趨勢(shì)大致相同，展示了NDCs的全方位抗菌特性。正如預(yù)期的那樣，NDC-3的CFU數(shù)最低，其抗菌率已達(dá)到80 ± 2%。值得注意的是，NDC-3的抗菌率低于NDC-1的三倍，這表明存在影響NDCs抗菌性能的其他因素。圖3：NDC的抗菌性能。孵育12小時(shí)后，(a) 對(duì)照和 (b) NDC-3的活/死大腸桿菌的熒光圖像。在孵育12小時(shí)后，(c) 對(duì)照和 (d) NDC-3的活/死金黃色葡萄球菌的熒光圖像。(e) 金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的瓊脂平板結(jié)果。37 °C下在瓊脂板上生長(zhǎng)24小時(shí)后測(cè)量 (f) 大腸桿菌和 (g) 金黃色葡萄球菌的CFU統(tǒng)計(jì)。金黃色葡萄球菌可以表達(dá)多種毒力因子，它們與細(xì)菌表面的肽聚糖共價(jià)連接。這些表面蛋白在維持細(xì)菌的結(jié)構(gòu)和致病功能方面發(fā)揮著不可替代的作用。本實(shí)驗(yàn)推測(cè)NDCs與金黃色葡萄球菌的表面接觸會(huì)影響細(xì)菌表面的蛋白合成。同時(shí)，金黃色葡萄球菌的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜被破壞，以及金黃色葡萄球菌超微結(jié)構(gòu)的改變。在合并的樣本中共鑒定出684種蛋白質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，694種蛋白質(zhì)中的84種表達(dá)水平顯著不同（p≤ 0.05），形成包含68種上調(diào)蛋白和16種下調(diào)蛋白的兩個(gè)簇。差異表達(dá)蛋白的層次聚類熱圖顯示，42.5% 位于細(xì)胞外空間，12.5% 位于細(xì)胞壁，和13.75% 位于膜中。這些差異蛋白可以分為幾個(gè)生物學(xué)過程，包括發(fā)病機(jī)制、細(xì)胞粘附、脂質(zhì)分解代謝過程、細(xì)胞壁組織等。鑒于對(duì)金黃色葡萄球菌的觀察，通過蛋白質(zhì)組學(xué)分析鑒定了許多與細(xì)胞壁相關(guān)的差異蛋白。這些蛋白質(zhì)主要在細(xì)胞組織和生物發(fā)生、代謝過程和細(xì)胞分裂中發(fā)揮作用。結(jié)果顯示，蛋白標(biāo)志物的表達(dá)變化證實(shí)了NDCs對(duì)金黃色葡萄球菌超微結(jié)構(gòu)變化和抗菌行為的表面相互作用方式的影響。圖4：金黃色葡萄球菌蛋白的異常表達(dá)。（a）質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)的工作流程。（b）蛋白質(zhì)的火山圖。（c）差異蛋白的層次聚類分析熱圖。（d）差異蛋白細(xì)胞定位。（e）差異蛋白功能分類。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)細(xì)菌落在NDCs表面時(shí)，其細(xì)胞壁上的一些孔不可避免地被C-O或C=O鍵填充。這些鍵可以部分（或完全）堵塞孔洞，干擾細(xì)菌的正常代謝。此外，由于C-O和C=O鍵的O端具有高度負(fù)極性，嵌入的鍵和細(xì)菌細(xì)胞壁的負(fù)電荷可以相互排斥，導(dǎo)致孔洞進(jìn)一步擴(kuò)大，破壞細(xì)胞壁。受損的細(xì)胞壁加劇了異常代謝，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)菌死亡。綜上所述，作者研究了氧封端碳鍵的抗菌性能，并證明了氧封端NDCs對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的優(yōu)異抗菌性能。NDCs的抗菌行為被證明主要是通過表面相互作用而不是細(xì)菌的內(nèi)部吞噬作用發(fā)生的。作者團(tuán)隊(duì)提出了一種潛在的抗菌機(jī)制，通過氧末端碳鍵的物理接觸和電荷排斥等行為物理破壞細(xì)菌細(xì)胞壁，導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞壁相關(guān)蛋白的異常表達(dá)。這項(xiàng)工作為研究抗菌特性，以解開氧化碳表面和細(xì)菌之間的相互作用提供了思路。
