金纳米粒子的合成及其在新型抗菌药物开发中的应用

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金纳米粒子(AuNPs)在开发或设计新型抗菌物质以对抗多种食源性致病微生物方面发挥着重要作用。与其他金属纳米粒子相比,AuNPs具有最理想的性质(如稳定性、无腐蚀性和杀菌活性),因此在催化、生物成像、生物传感器、医学、生物学、食品安全和材料化学等领域有着广泛的应用。目前,AuNPs已经在生物学、医学和食品领域开展了深入研究,以帮助应对现有的和正在出现的致病菌的根除。与此同时,AuNPs也有助于消灭多重耐药细菌,这对于常规使用的抗生素来说是很难实现的。这些对健康构成威胁的细菌菌株直接或通过食用受污染的食品危害人类健康,是目前食品安全方面存在的主要风险之一。通过将AuNPs与其他金属基纳米粒子和抗菌化合物结合,可以提高结合产物的整体稳定性。此外,结合产物对多种耐药菌的抗菌电位谱也更宽。本论文包括三个基本目标,首先根据AuNPs的形状分析了它们的抗菌潜力;其次,本研究提供了一种环境友好(无化学品)的方法来合成具有潜在催化、抗菌和抗氧化作用的AuNPs;此外,本工作也涉及抗菌肽(Nisin)与AuNPs的结合及其与银纳米粒子(Ag NPs)的纳米复合物的相关应用。本文的主要研究内容和成果如下:AuNPs因其较小的尺寸和特殊的形状而具有独特的生化活性,主要通过损伤和裂解细胞壁来提高其抗菌活性。在第一项研究中,我们研究了纳米球(AuNSps)、纳米星(AuNSts)和纳米立方体(AuNCs)在较低浓度下对大肠杆菌、铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌的形状依赖性抗菌活性。通过形态依赖性抗菌定性和定量分析显示,AuNCs对被测细菌具有100%的灭活率,其次是AuNSps和AuNSts。并通过分析证实了AuNCs和AuNSps的抗菌活性,其主要表现为细胞丢失、细胞壁松动、鞭毛和细胞基质丢失。最后,通过释放38μg/m L(铜绿假单胞菌)的细胞物质,对处理后的物理损伤的细菌细胞进行核酸释放量测定。结果表明,AuNPs在较低浓度下具有显著的抗菌性能。纳米颗粒的生物合成使用环境友好的系统,有可能通过避免危险化学品的参与,扩大其应用的新可能性。在第二项研究中,我们利用嗜酸乳杆菌进行细胞外生产AuNPs,并通过各种理化技术进行了验证。AuNPs的形成和稳定与表面结合蛋白和主要碳官能团(C-H、C-C和C-N)有关。这些AuNPs通过还原亚甲基蓝、刚果红、甲基橙和孔雀绿等多种染料而表现出很强的催化活性。在AuNPs的存在下,亚甲基蓝和刚果红在5分钟内还原,甲基橙在10分钟内还原,孔雀绿在3分钟内还原。这些AuNPs可在40分钟内氧化1,1-二苯基-2-甲基肼(DPPH)化合物,证明其是一种温和的抗氧化剂。通过碳电极表征,AuNPs显示了其具有电化学敏感性,可用于生物传感。此外,对大肠杆菌和单核细胞增生性李斯特菌进行了抗菌试验,结果表明,这些AuNPs通过损伤细菌细胞壁造成细胞渗漏而使其失去细胞完整性。这种方法为合成具有生物化学活性的金属基纳米颗粒提供了一种绿色途径,并且不会造成环境危害。第三项研究涉及两个主要关注点,即纳米颗粒的合成和抗菌肽Nisin的抗菌效果。本研究以金(Au)和银(Ag)为主要成分,分别以金(Au)100%、银(Ag)74.42%、金(Au)75.51%和银(Ag)13.11%为主要元素,制备了立方纳米颗粒(NP)及其纳米复合材料(NCs),并用扫描电子显微镜对其进行了纳米颗粒和纳米复合材料表征。Nisin联合NPs和NCs对革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌)有较好的抗菌效果。同时,还对Nisin-NP的紫外-可见吸收光谱和衰减全反射红外光谱进行了研究。傅里叶变换红外光谱和衰减全反射-傅里叶变换红外光谱研究表明NPs和NCs中存在酰胺Ⅰ基,而Nisin结合物中由于Nisin肽的存在而显示酰胺Ⅰ和酰胺Ⅱ基。除理化性质外,这些Nisin结合物还对Nisin抗性细菌的生长有积极的抑制作用。金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度(MIC)值由Ag NPs-nisin结合物显示,其浓度为4.02μg/m L,其次是Au Ag NCs(4.8μg/m L)和Au Ag NCs-nisin(4.83μg/m L)。本研究为金属纳米颗粒的合成及其与Nisin肽的界面结合提供了一种无毒的方法,增强了其对细菌酶的抗菌活性,而完整的Nisin肽对所研究的浓度则没有效果。综上所述,(1)本论文的研究表明在特定的低浓度下,AuNPs对革兰氏阳性和革兰氏阴性食源性致病菌具有显著的形状依赖性抗菌能力;(2)提出了一种合成具有生物化学活性的金属基纳米颗粒的环境友好方法,该方法在各种化学和抗菌试验中被证明是有效的;(3)本文还提供了一种无生物和化学物质的方法来合成具有Nisin界面组装的金属和双金属纳米复合材料,Nisin在其中起到重要抗菌剂的作用。
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