基于L-聚乳酸与钛或二氧化钛纳米颗粒的复合材料：通过活性氧生成的暗抗菌活性

《Journal of Composites Science》：Composite Materials Based on L-Polylactide with Titanium or Titanium Dioxide Nanoparticles: Dark Antibacterial Activity Through ROS Generation Dmitriy E. Burmistrov, Pavel A. Ivliev, Dmitriy A. Serov, Ilya V. Baimler, Alexander V. Simakin, Sergei O. Liubimovskii, Maxim E. Astashev, Valeriy A. Kozlov, Alena A. Nastulyavichus and Sergey V. Gudkov + 2 authors

　　

采用功能性纳米颗粒改性聚乳酸（PLA）是赋予材料新性能的一种有前景的策略。本研究通过激光烧蚀法合成了钛纳米颗粒（Ti NPs）与二氧化钛纳米颗粒（TiO2NPs），并利用动态光散射、分光光度法与透射电子显微镜进行了表征。Ti NPs的平均流体力学直径为12 nm，TiO2NPs为24 nm；两种分散体系均具有正ζ电位（23–27 mV）及球形形貌。研究人员通过溶液浇铸法制备了含0.1 wt.% Ti NPs或TiO2NPs的L-PLA复合薄膜。原子力显微镜与调制干涉显微镜证实纳米颗粒在聚合物基体中分布均匀，但也观察到部分团聚现象。引入TiO2NPs提高了水接触角。力学测试显示显著的增强效应：添加0.1 wt.%纳米颗粒使杨氏模量提高62–68%，极限拉伸强度提高16–18%，同时保持韧性断裂模式，断裂伸长率可达约8%。两种复合材料在水溶液中均能产生活性氧（ROS）：Ti NPs使H2O2产量提高5.5倍，TiO2NPs提高4.9倍，并能诱导羟基自由基的形成。DNA中8-氧鸟嘌呤与长寿命氧化蛋白物种的积累证实了材料引起生物大分子氧化损伤的能力。针对大肠杆菌（E. coli），生长抑制率达40.5%（含Ti NPs复合材料）与71%（含TiO2NPs复合材料）；针对金黄色葡萄球菌（S. aureus），抑制率分别约为70%与80%。流式细胞术证实了强效杀菌作用，含TiO2NPs的材料使大肠杆菌死细胞比例增至25%，金黄色葡萄球菌增至约68%。人成纤维细胞（HSF）的细胞毒性评估显示，纯L-PLA与含Ti NPs复合材料具有高度生物相容性（存活率>95%），含TiO2NPs复合材料存活率约为93%。结果表明，基于L-PLA的Ti NPs与TiO2NPs复合材料在无额外紫外辐照条件下表现出显著的ROS介导抗菌活性，可作为极具潜力的候选材料用于延长保质期的活性可降解食品包装，以及伤口敷料、植入物等需要降低细菌定植风险的生物医学器械。

研究背景方面，聚乳酸（PLA）作为一种热塑性、高刚度、高拉伸强度的生物可降解聚合物，广泛应用于可降解包装、一次性餐具、可吸收手术缝合线及3D打印耗材等领域。L-PLA是目前使用最广泛的生物衍生聚合物之一，其单体乳酸由乳酸菌发酵碳水化合物原料制得。尽管PLA市场增长迅速，但其基础性质如疏水性、缺乏抗菌活性、有限的生物活性及中等阻隔性能仍需针对性改进以满足植入物、组织工程等特定生物医学应用需求。引入功能性无机纳米填料开发复合材料是改善力学性能与热学特性并赋予材料新生物学功能的有效策略。虽然TiO₂纳米颗粒在紫外辐照下的光催化活性已得到充分证实，其在无光照条件下的抗菌效应及其机制探索较少，且常归因于表面缺陷、氧空位或金属Ti NPs的本征氧化还原活性。这种“暗活性”对于人体内部或不透明食品包装等不便或不宜使用紫外辐照的场景具有重要意义。然而，目前关于利用该暗态ROS介导机制的PLA复合材料的研究仍较匮乏，且鲜有系统性比较PLA基体中金属Ti NPs与TiO₂NPs的暗态抗菌性能差异。因此，研究人员通过清洁无残留的激光烧蚀法合成两种纳米颗粒，将其引入L-PLA基体，对其暗态ROS介导抗菌活性与细胞毒性进行比较分析，旨在开发兼具高性能与生物安全性的新型复合材料。该研究发表于《Journal of Composites Science》。

关键技术方法方面，研究人员采用激光烧蚀法制备Ti NPs与TiO₂NPs，并通过动态光散射、紫外-可见光谱与透射电子显微镜进行表征。复合材料通过溶液浇铸法制备，利用原子力显微镜与调制干涉显微镜分析微观结构与填料分布，拉曼光谱研究填料对聚合物结晶行为的影响。通过接触角测量评估表面润湿性，万能试验机进行拉伸力学测试。ROS检测采用化学发光法与荧光探针法测定H₂O₂与羟基自由基水平，并通过8-氧鸟嘌呤与长寿命反应蛋白物种评估生物大分子氧化损伤。抗菌活性通过标准菌株（大肠杆菌BL21(DE3)、金黄色葡萄球菌RN4220）培养结合光密度监测与流式细胞术评价，细胞毒性则通过人脾成纤维细胞（HSF）培养与多色荧光染色评估。

研究结果方面，纳米颗粒表征显示激光烧蚀制备的Ti NPs平均粒径约12 nm，TiO₂NPs约24 nm，均呈单峰分布与球形形貌，ζ电位分别为23 mV与27 mV，表明胶体稳定性良好。材料微观结构表征显示复合膜表面均匀，AFM检测到近表面层存在与颗粒尺寸相符的突起，MIM观察到微米级光学不均匀区域，提示存在部分团聚。拉曼光谱分析表明TiO₂NPs对PLA结晶度无明显影响，Ti NPs则有微弱成核效应，使结晶度从7%增至11%，所有样品结晶度均低于15%。接触角测试显示Ti NPs对亲水性无显著影响，而TiO₂NPs使接触角从70.5°增至73.7°，略微提高疏水性。力学测试表明两种NPs均显著增强材料刚度与强度，杨氏模量最高提升68%，拉伸强度提升约18%，同时维持韧性断裂特征。ROS生成实验证实纯L-PLA无促氧化活性，而复合材料显著提升H₂O₂与羟基自由基水平，其中Ti NPs更易生成H₂O₂，TiO₂NPs更易生成羟基自由基。氧化损伤评估显示复合材料显著提高DNA中8-氧鸟嘌呤水平与蛋白长寿命反应物种水平。抗菌实验显示TiO₂NPs复合材料对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌的抑菌率分别达71%与81%，显著高于Ti NPs复合材料，且流式细胞术证实其对革兰阳性菌杀伤效果更强。细胞毒性结果显示纯L-PLA与Ti NPs复合材料对人成纤维细胞存活率保持在95%以上，TiO₂NPs复合材料存活率略降至93%，形态无明显变化。

讨论与结论方面，研究人员认为暗态抗菌活性的产生与激光烧蚀制备的颗粒表面富含氧空位等缺陷有关，这些缺陷可作为活性位点促进氧气还原与水分子活化，持续生成ROS而无需外部光激发。Ti NPs与TiO₂NPs在ROS类型上的差异源于其不同的催化机制。复合材料在保持高生物相容性的同时实现高效暗态抗菌，拓展了其在食品包装与生物医学领域的应用潜力。未来研究需关注长期降解行为与纳米颗粒释放风险，并优化填料浓度与分散状态以平衡抗菌性与安全性。研究最终结论为：基于L-PLA并分别引入Ti NPs与TiO₂NPs的复合材料可通过ROS介导实现暗态抗菌，其中TiO₂NPs复合材料抗菌活性更高但细胞毒性略强，Ti NPs复合材料则具有优异的生物相容性与适中抗菌效果。该结果为开发下一代可降解抗菌材料提供了实验依据与技术参考。