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纳米材料构建及应用

多酚刻蚀ZIF-8对金黄色葡萄球菌的灭菌效果

  • 陈梦秋 1, 2 ,
  • 刘雁玲 1, 2 ,
  • 马臣辰 1, 2 ,
  • 金敏 2 ,
  • 李海北 , 2, * ,
  • 侯丽华 , 1, *
展开
  • 1 天津科技大学 食品科学与工程学院 食品营养与安全教育部重点实验室 天津市食品营养与安全重点实验室, 天津 300457
  • 2 军事科学院 军事医学研究院, 天津 300041
*侯丽华,女,教授,博士生导师,主要研究方向为功能性食品开发及食品安全检测。E-mail:;
李海北,男,副研究员,硕士生导师,研究方向为水环境微生物风险评估与控制。E-mail:

收稿日期: 2025-04-03

  网络出版日期: 2026-03-02

基金资助

国家重点研发计划(2022YFC2604004)

Studies on the inhibitory effect of polyphenol-etched ZIF-8 on Staphylococcus aureus

  • CHEN Mengqiu 1, 2 ,
  • LIU Yanling 1, 2 ,
  • MA Chenchen 1, 2 ,
  • JIN Min 2 ,
  • LI Haibei , 2, * ,
  • HOU Lihua , 1, *
Expand
  • 1 College of Food Science and Engineering, Key Laboratory of Food Nutrition and Safety of Ministry of Education, Tianjin Key Laboratory of Food Nutrition and Safety, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China
  • 2 Military Medical Sciences Academy, Academy of Military Sciences, Tianjin 300041, China

Received date: 2025-04-03

  Online published: 2026-03-02

摘要

沸石咪唑酯金属有机骨架-8(zeolitic imidazolate framework-8,ZIF-8)对可见光响应差且能隙较宽,大大降低了其在可见光驱动下的抗菌活性。在此,通过后合成修饰的方法,选用表没食子儿茶素没食子酸酯(epigallocatechin gallate,EGCG)对ZIF-8进行刻蚀,构建出一种新型可见光诱导的纳米抗菌复合材料EGCG@ZIF-8。EGCG@ZIF-8可在可见光驱动下产生活性氧(reactive oxygen species,ROS),60 min内对金黄色葡萄球菌的杀菌率达99.999 9%,显著优于未刻蚀的ZIF-8,且在5次循环使用后依然有较强的杀菌效果。EGCG的引入降低了ZIF-8的禁带宽度,有利于光生载流子和空穴迁移,增强复合材料可见光催化活性,从而促进ROS产生。此外,体外毒性实验表明EGCG@ZIF-8具有良好的生物兼容性。研究结果为制备高效抗菌复合材料提供了一种简便而有效的策略,为开发新型可见光诱导的抗菌剂开辟了新道路,具有重要科学意义和应用前景。

本文引用格式

陈梦秋 , 刘雁玲 , 马臣辰 , 金敏 , 李海北 , 侯丽华 . 多酚刻蚀ZIF-8对金黄色葡萄球菌的灭菌效果[J]. 陕西师范大学学报(自然科学版), 2026 , 54(1) : 18 -26 . DOI: 10.15983/j.cnki.jsnu.2026003

Abstract

The limited visible light absorption and relatively large bandgap of zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8) substantially restrict its antibacterial efficacy under visible light irradiation. Herein, a novel visible-light-responsive antibacterial nanocomposite, EGCG@ZIF-8, was synthesized via post-synthetic modification through the etching of ZIF-8 with epigallocatechin gallate (EGCG). Under visible light irradiation, EGCG@ZIF-8 can efficiently generate reactive oxygen species (ROS), demonstrating a antibacterial rate of 99.999 9% against Staphylococcus aureus within 60 min, which significantly surpassed the performance of pristine ZIF-8. Furthermore, EGCG@ZIF-8 retained robust antibacterial activity even after five consecutive usage cycles. The incorporation of EGCG narrowed the bandgap of ZIF-8, promoting the separation and migration of photogenerated electron-hole pairs, which enhanced the visible-light photocatalytic performance of the composite and subsequently boosted ROS generation. In addition, in vitro cytotoxicity assays confirmed the outstanding biocompatibility of EGCG@ZIF-8. This study not only offers a straightforward and efficient approach for synthesizing high-performance antibacterial composites, but also paves the way for the development of innovative visible-light-driven antibacterial materials, underscoring its substantial scientific and practical significance.

光动力学疗法(photodynamic therapy,PDT)是一种很有前景的细菌灭活方法,其能够对细菌的重要细胞成分造成不可修复的损伤,从而使细菌耐药性产生的可能性较小[1]。PDT是基于光敏剂(photosensitizer,PS)的光化学反应,光照激活PS从基态迁移到瞬态单激发态,然后迁移到延长的三重态,使PS与氧气或周围底物反应,产生活性氧(reactive oxygen species,ROS)。ROS是一个统称,描述了氧不完全还原时形成的化学物质,主要包括超氧阴离子(·O2-)、过氧化氢(H2O2)、单线态氧(1O2)和羟基自由基(·OH)[2]。高活性的ROS可诱导细菌细胞组分中的氧化应激,导致遗传毒性、脂质和蛋白质破坏、膜破坏和细菌死亡[1],可实现快速、高效和广谱抗菌。光催化杀菌技术因其易于获取和出色的能效而日益受到重视。Shen等[3]将硼二吡喃引入ZIF-8骨架,构建出一种可见光激发的新型纳米抗菌复合材料,实验结果表明,在LED灯照射下,复合材料的抗菌活性远远高于单独的ZIF-8。闫睿等[4]基于抗菌肽和卟啉光敏剂,使用溶剂热法合成构建出可靶向金黄色葡萄球菌的纳米光敏剂UBI/PCN-224,其在光照条件下可以产生1O2,从而达到对金黄色葡萄球菌的杀灭效果。可见,构建由可见光驱动的新型抗菌材料具有重要科学意义和应用前景。
光催化性能主要取决于催化剂的组分和结构,在过去几十年里,已经开发出多种光催化材料,如金属氧化物[5]、碳基材料[6]和金属有机框架(metal-organic frameworks,MOFs)等。在众多具有活性氧生成能力的纳米材料中,金属有机框架纳米材料引起广泛关注。MOFs是由金属中心(如金属离子或团簇)与有机配体通过配位键组成的一维、二维或三维结构的多孔材料[7]。相对于其他纳米材料,MOFs的最大优势在于较高的可设计性,较大的比表面积及可调节的功能金属离子、有机配体和多孔结构。另外,利用光催化分子作为有机配体的MOFs能够在光照条件下产生活性氧,显著提升其光催化抗菌效率,在光催化抗菌领域表现出独特优势[8-10]
沸石咪唑酯金属有机骨架-8(zeolitic imidazolate framework-8,ZIF-8)是目前研究最为广泛的一种MOFs材料,其由金属Zn2+作为中心,通过N原子与有机咪唑环配位组装形成多孔晶体材料[11],具有比表面积大、孔隙率高、孔径和尺寸可调、易于化学修饰、生物毒性小、稳定性优良等优势[12]。ZIF-8之所以可以作为杀菌材料使用,主要是因为它可以通过静电相互作用来破坏细胞膜(涉及Zn2+),且可以引起ROS产生[13]。然而,在实际抗菌应用中使用ZIF-8仍然是一个巨大挑战。ZIF-8的禁带宽,光吸收能力有限,仅在UV光下显示出高光动力学效率,无法产生足够的ROS用于抗菌应用[14-15]。此外,ZIF-8经常遭受光生空穴和电子对的快速复合,导致PDT效率低。合理改性能让ZIF-8更好地发挥可见光催化灭活能力。
后合成修饰是基于共价键作用,在合适的条件下,将特定的有机官能团与MOFs材料有机配体上可以发生共价反应的基团结合,从而获得直接合成法无法或难以得到的MOFs材料。氨基、羟基、羧基等基团是MOFs材料有机配体中常见的、易进行有机官能团后修饰的基团。表没食子儿茶素没食子酸酯(epigallocatechin gallate,EGCG)是茶叶中含量最高的一种特殊儿茶素,占茶多酚含量的40%~50%,占茶叶总质量的9%~13%。EGCG具有特殊的三维化学结构,具有6个邻位酚羟基,在抗菌、抗病毒、抗氧化和生物活性等方面优于其他儿茶素[16]。本研究使用EGCG对ZIF-8进行刻蚀,通过表面功能化修饰,引入羟基基团,合成EGCG@ZIF-8复合材料,进而研究其可见光催化活性及对金黄色葡萄球菌的杀菌效果。

1 实验方法

1.1 材料与仪器

ZIF-8,先锋纳米;表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG),麦克林;Luria-Bertani(LB)培养基,Difco;CM107-01营养琼脂,北京陆桥;ECM内皮细胞培养基,ScienCell;CCK-8细胞增殖-毒性检测试剂盒,Biosharp;胰蛋白酶-EDTA,Gibco;DMEM培养基,Gibco;CEL-S500-T5 500 W氙灯,中教金源;CVE-3000离心浓缩仪,EYELA。

1.2 EGCG@ZIF-8材料的制备

采取后合成修饰的方法进行EGCG@ZIF-8材料制备[17]。称取一定质量的EGCG和ZIF-8分别溶于去离子水中,将溶解好的EGCG和ZIF-8按照1∶1的体积比混合,室温搅拌4 h, 然后在10 000r/min条件下离心30 min后去上清,将得到的固体用去离子水清洗3次,真空冷冻干燥,得到经EGCG修饰的ZIF-8材料,即EGCG@ZIF-8材料。

1.3 材料表征

利用一系列表征分析技术对2种材料(ZIF-8和EGCG@ZIF-8)进行表征。通过扫描电子显微镜(Quattors,赛默飞)和透射电子显微镜(JEM100CXII,日本电子)观察材料的微观形貌和粒径尺寸。通过傅里叶变换红外光谱(Nicolet 6700,赛默飞)扫描,分析材料表面官能团的变化。用X射线光电子能谱(ESCAlab 250Xi,赛默飞)表征样品表面的电子状态。采用电子顺磁共振波谱(JES-X310,日本电子)检测光催化杀菌时存在的活性组分。用光致发光光谱仪(F97 Pro,上海棱光)测量材料的光致发光载流子分离情况。利用紫外-可见漫反射光谱(UV-3600 Plus,日本岛津)探究材料的光学性质。

1.4 光催化杀菌实验

以革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌(ATCC 12600)为模式菌,用菌落计数法研究ZIF-8和EGCG@ZIF-8的抑菌性能。所有培养基和试剂均在121 ℃灭菌20 min,操作过程均在无菌操作台中进行,所用细菌是活化为指数期的菌株。
首先对实验菌种进行培养,将金黄色葡萄球菌置于LB液体培养基中,37 ℃、150 r/min条件下振荡培养12 h,将所得金黄色葡萄球菌母液用高温灭菌后的PBS缓冲液离心洗涤,离心机转速为8 000 r/min。收集得到的细菌后,使用PBS缓冲液将其稀释到所需浓度(106~107 CFU/mL)。
将实验设置为PBS、ZIF-8和EGCG@ZIF-8 3个处理组。将制备好的菌液添加到12孔细胞培养板中, EGCG@ZIF-8的最终质量浓度为0.5 mg/mL,细菌的最终浓度为106~107 CFU/mL,将12孔板置于500 W氙灯(400~780 nm,输出功率小于90 mW/cm2)下照射。在处理20、40、60 min时分别取样,吸取100 μL混合液均匀地分散在营养琼脂固体培养基中,37 ℃恒温孵育18~24 h。培养结束后根据形成的菌落数计算材料对金黄色葡萄球菌的杀菌率,杀菌率(L)使用公式L=lg(Ct/C0)进行计算,其中CtC0分别表示时间间隔t和0 min时的活菌浓度。

1.5 细菌核酸和蛋白质泄露检测

为进一步评估细菌细胞膜上诱导的损伤,检测与ZIF-8、EGCG@ZIF-8接触后细菌细胞中核酸和蛋白质的泄漏情况。将ZIF-8和EGCG@ZIF-8与金黄色葡萄球菌混合(材料的质量浓度为0.5 mg/mL),经光照60 min后离心取上清,用离心浓缩仪将上清液浓缩,检测其在260 nm和280 nm处的吸光度,分别对应于核酸和蛋白质的特征峰。

1.6 细胞增殖活力检测

使用CCK-8细胞增殖-毒性检测试剂盒评估材料的细胞毒性。将小鼠单核巨噬细胞RAW 264.7和人脐静脉内皮细胞HUVEC在培养基中培养,并在37 ℃、含有5% CO2的受控环境中进行增殖。将生长良好的小鼠单核巨噬细胞RAW 264.7(1×104)和人脐静脉内皮细胞HUVEC(7.5×103)接种到96孔板中,细胞黏附后分别加入质量浓度为0.5 mg/mL的ZIF-8和EGCG@ZIF-8,与细胞一起培养。在培养1、3、5 d时,每孔更换含有10% CCK-8溶液的培养基,孵育2 h后测量波长为450 nm的光密度值(OD),以确定相对细胞活力。

2 实验结果

2.1 EGCG@ZIF-8的形貌特征

使用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、透射电子显微镜(transmission electron microscope,TEM)观察ZIF-8、EGCG@ZIF-8的形貌。如图1所示,ZIF-8纳米颗粒的大小约为300 nm,形态为相对规则的十二面体,除个别出现团聚情况外,结构比较均匀。经EGCG刻蚀后的EGCG@ZIF-8形状接近不规则球形,这可能是由EGCG的刻蚀导致的[18]。由于多酚具有与金属配位的能力,EGCG的酚类单元首先被吸附到ZIF-8表面,原始的有机配体从外到内逐渐被取代,导致腐蚀过程[17]。此外,ZIF-8具有更清晰的颗粒性,而EGCG@ZIF-8则倾向于聚集,这是因为EGCG刻蚀使得ZIF-8尺寸变小,加重了聚集现象[17,19]
图1 材料形貌观察

Fig.1 Material morphology observation

2.2 X射线光电子能谱分析

通过X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)分析进一步研究ZIF-8和EGCG@ZIF-8复合材料的组成和表面化学状态。如图2所示,XPS全谱表明ZIF-8主要由Zn、N、O和C元素组成,经EGCG修饰后的EGCG@ZIF-8复合材料在化学成分上无明显变化,这可能是因为EGCG本身也主要由H、O和C元素组成。
图2 ZIF-8和EGCG@ZIF-8的XPS全谱图

Fig.2 XPS full spectra of ZIF-8 and EGCG@ZIF-8

2.3 傅里叶变换红外光谱分析

为验证ZIF-8经EGCG修饰后官能团的变化,对ZIF-8和EGCG@ZIF-8进行傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FT-IR)分析,结果如图3所示。ZIF-8在420.89 cm-1处有1个属于Zn—N键的峰[20-21],在1 308.00 cm-1[20]和759.35 cm-1[21]处的2个峰代表咪唑环的振动拉伸,位于1 440~1 675 cm-1的峰归属于咪唑环上的C=N和C—N键[19-20,22 -24],位于2 200~3 300 cm-1的峰代表咪唑环的N—H能量[23-24],位于2 928.91 cm-1和3 135.74 cm-1处的峰是由C—H键引起的[19,22]。在EGCG@ZIF-8的光谱中也同样存在与ZIF-8相同的特征峰,与ZIF-8不同的是,EGCG@ZIF-8的光谱在3 377.28 cm-1处出现典型的酚羟基(—OH)峰[17,25],其原因可能是原属于表没食子儿茶素没食子酸酯上3 554.70 cm-1、3 477.08 cm-1、3 356.07 cm-1处的3个羟基吸收峰[26]在3 300~3 600 cm-1处合并为宽峰,表明ZIF-8上的Zn与EGCG的—OH或存在某些联系[17]
图3 ZIF-8和EGCG@ZIF-8的FT-IR谱图

Fig.3 FT-IR spectra of ZIF-8 and EGCG@ZIF-8

2.4 材料的杀菌性能

用ZIF-8和EGCG@ZIF-8在可见光下对金黄色葡萄球菌(ATCC 12600)进行灭活实验(图4)。如图4a所示,在可见光照射60 min后,ZIF-8对金黄色葡萄球菌的杀菌率为99.89%,而EGCG@ZIF-8对金黄色葡萄球菌的杀菌率为99.999 9%,杀菌效果明显提高。图4b显示在上述实验条件相同的情况下,将ZIF-8和EGCG@ZIF-8黑暗处理60 min,结果细菌量并未明显降低,表明在无光条件下,材料本身对金黄色葡萄球菌的灭菌效果可忽略。以上结果表明,EGCG刻蚀显著增强了ZIF-8的光催化性能,提高了材料在可见光下对金黄色葡萄球菌的杀菌效果。
图4 ZIF-8和EGCG@ZIF-8的杀菌效果评价

注:网络版为彩图。

Fig.4 Evaluation of the antibacterial effects of ZIF-8 and EGCG@ZIF-8

2.5 材料的稳定性

稳定性是评价材料性能的重要指标。将反应后溶液中的材料与上清液分离,将材料置于紫外灯下照射以杀灭残存的金黄色葡萄球菌,随后再次加入金黄色葡萄球菌体系中重新进行杀菌实验,以此往复,对ZIF-8和EGCG@ZIF-8材料进行5次循环回收实验。实验结果如图5所示,ZIF-8在第1次循环中的杀菌率为99.17%,经过5次循环后,其杀菌率为96.21%,相比于初次使用,杀菌效果有所降低;而EGCG@ZIF-8复合材料在经过5次循环回收实验后,杀菌率依然稳定在99.999 9%,表明修饰后的复合材料具有较高的循环稳定性。
图5 ZIF-8和EGCG@ZIF-8的稳定性评价

注:网络版为彩图。

Fig.5 Stability evaluation of ZIF-8 and EGCG@ZIF-8

2.6 活性氧检测

光催化材料主要通过产生ROS达到杀菌目的[27-28]。为验证这一假设,采用电子顺磁共振(electron paramagnetic resonance,EPR)测定ZIF-8和EGCG@ZIF-8材料在可见光照射下产生ROS的种类(图6)。将2,6-二甲基吡啶-N-氧化物(DMPO)加入到ZIF-8和EGCG@ZIF-8体系中,作为·O2-和·OH的捕获剂,将4-氨基-2,2,6,6-四甲基哌啶(TEMP)加入体系中用于捕获1O2[29]。在黑暗条件下,ZIF-8和EGCG@ZIF-8体系中均未出现ROS的特征峰。经可见光照射60 min后,ZIF-8测试体系中只出现TEMP-1O2的特征峰,而EGCG@ZIF-8测试体系中出现DMPO-·OH、DMPO-·O2-以及TEMP-1O2 3种特征峰。此外,EGCG@ZIF-8测试体系中的TEMP-1O2特征峰强度高于ZIF-8测试体系。以上结果表明,在可见光照射下,EGCG@ZIF-8比ZIF-8产生有更多的ROS,从而导致EGCG@ZIF-8的杀菌率高于ZIF-8。单一ZIF-8体系在光照条件下,也出现了1O2特征峰,这可能是ZIF-8体系在光照条件下对金黄色葡萄球菌具有一定杀菌效果的原因。
图6 ZIF-8和EGCG@ZIF-8在光照及黑暗条件下生成自由基的EPR图谱

Fig.6 EPR profiles of ZIF-8 and EGCG@ZIF-8 for generating free radicals under light and dark conditions

2.7 紫外-可见漫反射光谱分析

细菌的光催化失活主要与光催化过程所产生的ROS有关,其中ROS主要通过导带位置e-活化分子氧或价带位置h+还原水分子过程形成[30]。紫外-可见漫反射光谱显示了光催化材料光吸收的波长范围,被用来探究ZIF-8和EGCG@ZIF-8材料的光学性质。由图7a所示,ZIF-8只能吸收波长小于250 nm的紫外光,经EGCG修饰后的EGCG@ZIF-8在200~800 nm处均出现可见光响应吸收峰。通过Tauc公式(1)计算ZIF-8和EGCG@ZIF-8材料的带隙:
(αh)1/n=A(h-Eg)。
式中:α为吸收系数;h为普朗克常量;A为常数;Eg为吸收带隙能量;系数n由半导体光催化剂的光跃迁类型决定(n=2或n=0.5)。Tauc公式中的α可以用Kubelka-Munk函数F(R)代替,计算方法见公式(2):
F(R) = (1-R)2/2R
式中:R为根据Kubelka-Munk理论,样品相对于标准反射率的漫反射[31]。绘制漫反射系数与波长的关系图。由图7b所示,ZIF-8和EGCG@ZIF-8的禁带宽度估算值分别为5.10 eV和2.59 eV,表明EGCG修饰后的EGCG@ZIF-8禁带宽度有所减小,有利于光生载流子和空穴的迁移,从而使复合材料具有可见光催化活性[3]
图7 ZIF-8和EGCG@ZIF-8的紫外-可见漫反射光谱(a)及带隙图谱(b)

Fig.7 UV-Vis diffuse reflectance spectra (a) and band gap mapping (b) of ZIF-8 and EGCG@ZIF-8

2.8 光致发光光谱分析

进一步探究光催化材料产生ROS的机理,对材料产生的光生载流子的迁移及分离效率进行分析。光致发光光谱是评估半导体材料载流子捕获、转移和分离效率以及样品表面缺陷的有效技术,在320 nm激发波长下使用光致发光光谱法探究材料激发时光生载流子的分离效率[32]。一般来说,光致发光强度越低,光诱导载流子的分离效率越高,材料的光催化活性越好。由图8可以看出,与ZIF-8相比,EGCG@ZIF-8的信号强度明显降低,这意味着光生电子空穴对的分离性增强,光生载流子的分离效率增高,表明材料的电子和空穴被捕获,阻碍了其复合,进而增强了材料的光催化活性,该结果与光催化杀菌效果一致[33]
图8 ZIF-8和EGCG@ZIF-8的光致发光谱图

Fig.8 Photoluminescence spectra of ZIF-8 and EGCG@ZIF-8

2.9 细菌核酸和蛋白质的泄露

细胞膜损伤通常伴随着严重的核酸和蛋白质泄漏。如图9所示,经ZIF-8和EGCG@ZIF-8处理后的菌液上清中,光照下杀菌效果最高的EGCG@ZIF-8组中金黄色葡萄球菌的核酸和蛋白质泄漏最多,证实光催化产生的活性物质破坏了细菌的细胞壁和细胞膜[34]
图9 金黄色葡萄球菌中泄露核酸和蛋白质的吸光度

注:**代表差异显著(P<0.01);***代表差异极显著(P<0.001)。

Fig.9 Absorbance of nucleic acids and proteins leaked from Staphylococcus aureus

2.10 细胞增殖活性测定

将小鼠单核巨噬细胞(RAW 264.7)、人脐静脉内皮细胞(HUVEC)与ZIF-8、EGCG@ZIF-8共培养1、3、5 d后,ZIF-8组和EGCG@ZIF-8组在相同时间点的细胞存活率均大于90%(图10)。以上结果表明ZIF-8和EGCG@ZIF-8具有良好的细胞相容性,不影响小鼠单核巨噬细胞(RAW 264.7)和人脐静脉内皮细胞(HUVEC)的增殖。
图10 细胞活力测定结果

Fig.10 Results of cell viability assay

3 结论

经EGCG刻蚀后,ZIF-8的形态由规则的正十二面体转变为不规则球形,出现明显聚集现象。FT-IR分析表明,EGCG与ZIF-8通过酚羟基形成化学键。在光催化抗菌性能方面,EGCG@ZIF-8在可见光下产生·O2-1O2和·OH,对金黄色葡萄球菌的杀菌率可达99.999 9%,优于ZIF-8,并在5次循环实验中保持了高效杀菌性能,表现出良好的稳定性和可重复性。紫外-可见漫反射光谱和光致发光光谱分析表明,EGCG的引入使ZIF-8的禁带宽度降低至2.59 eV,光生载流子分离效率更高,可见光催化能力增强。细胞毒性实验显示,EGCG@ZIF-8复合材料具有良好的细胞相容性。以上结果证实EGCG@ZIF-8是一种具有潜在应用价值的光催化抗菌材料,未来可在环境治理领域探索其应用前景。
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