氯己定（Chlorhexidine, CHX）与海泡石（Sepiolite）及蒙脱石（Montmorillonite, MMT）的组装：相互作用机制与抗菌活性

《Applied Clay Science》：Assembly of chlorhexidine with sepiolite and montmorillonite: Interaction mechanisms and antimicrobial activity

　　

本研究评估了临床常用阳离子抗菌剂葡萄糖酸氯己定（Chlorhexidine Digluconate, CHX）与两种代表性粘土矿物——微纤维状海泡石（Sepiolite, SEP）及层状蒙脱石（Montmorillonite, MMT）——之间的分子水平相互作用。两种粘土矿物的结构差异显著影响其吸附行为：SEP 促进 CHX 在其外表面的分子吸附，而 MEP 中 CHX 插层于硅氧层间，X射线衍射（XRD）显示其基面间距（basal spacing）增大。所得 CHX-粘土有机-无机杂化材料经 CHN 元素分析、XRD、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外-可见光谱（UV–Vis）及固态核磁共振（NMR）光谱和 ζ 电位表征，证实药物成功负载入硅酸盐基质且 CHX 在两种粘土中存在不同分子排列方式。对比研究强调硅酸盐性质对组装过程及粘土-药物相互作用机制的调控作用。为评估生物医学相关性，研究人员采用金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和大肠杆菌（Escherichia coli）进行初步微生物学测试，证实杂化材料具有显著抗菌活性。结果表明此类定制粘土-药物组装体在外用抗菌递送领域具有应用潜力，其中 CHX 的滞留、分子稳定性及生物活性保留是关键特征。

论文解读：氯己定与海泡石及蒙脱石的组装——相互作用机制与抗菌活性

该研究由 Celia Martín-Morales、Pilar Aranda、Raquel Martín-Sampedro、David Ibarra、María E. Eugenio、Francisco Sanchez del Valle 及 Eduardo Ruiz-Hitzky 共同完成，发表于《Applied Clay Science》。粘土矿物因高比表面积、可调表面电荷及离子交换能力被广泛用作药物载体。氯己定（Chlorhexidine, CHX）是广谱阳离子双胍类抗菌剂，已有研究将其载入蒙脱石（Montmorillonite, MMT）等层状硅酸盐，但纤维状粘土——特别是海泡石（Sepiolite, SEP）——与 CHX 的分子级相互作用机制尚缺乏系统比较。现有文献多单独关注层状粘土插层或管状粘土吸附，未见在相同实验条件下并行对比层状与纤维状粘土对 CHX 组装机制影响的报道。因此，研究人员通过开展对照实验，阐明粘土形态（层状 MMT vs 微纤维状 SEP）如何决定 CHX 的分子排布、负载机理及抗菌表现，为理性设计粘土基抗菌递送系统提供理论基础。

研究人员将 100 mg 原始粘土分散于不同浓度 CHX 葡萄糖酸盐（CHXdig，1×10?3～7×10?2 mol/L）水溶液中，25℃ 振荡 48 h 达吸附平衡，离心收集固相不洗涤直接干燥制得 Clay-CHX/Y 杂化材料；另用氯己定乙酸酯（CHXac）做对照。采用 CHN 元素分析测定载药量并绘制吸附等温线；X 射线衍射（XRD）分析层间距变化；傅里叶变换红外光谱（FTIR，KBr 压片及 ATR 模式）检测特征官能团；固态 13C 交叉极化/魔角旋转核磁共振（Cross-Polarization Magic Angle Spinning NMR, 13C CP/MAS NMR）分析分子环境；紫外-可见漫反射光谱（UV–Vis DRS）表征固态样品；ζ 电位（Zeta Potential）评估表面电荷演变；扫描电镜-能谱（SEM-EDX）观察形貌及 Na/Si 原子比变化以验证离子交换；选用金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus，革兰氏阳性）与大肠杆菌（Escherichia coli，革兰氏阴性）通过活菌平板计数法测抗菌活性，计算对数减少因子（Log Reduction Factor, LogR）。

3.1. Preparation of clay mineral-CHX hybrids: Adsorption isotherms

MMT 吸附曲线呈渐进型，低浓度下以 CHX? 阳离子交换为主，高浓度转为单葡萄糖酸盐或伴生阴离子形式滞留，转折点约 45 meq/100 g（约为 CEC 一半）；SEP 呈陡饱和型，主要靠外表面吸附，高于 ~25 mmol CHX/100 g 时出现 CHXdig 聚集体。拟二级动力学模型拟合优度（R2 > 0.99）表明吸附受化学吸附（静电+离子交换）控制。CHXdig 较 CHXac 在两种粘土上平衡负载更高，归因于二葡萄糖酸盐更高水溶性减少自聚集；SEP 对 CHXdig 亲和性高于 CHXac，推测葡萄糖酸根羟基与 SEP 表面硅醇基（≡Si–OH）形成氢键。

3.2. X-ray Diffraction (XRD)

SEP 特征衍射峰（~12.0°，d ≈ 1.16 nm）在 CHX 负载后无位移，证实 CHX 不能进入其纳米隧道（断面 1.1×0.4 nm），为外表面吸附机制。MMT 的（001）面从 2θ≈7.0°（d₀₀₁=1.25 nm）向低角度偏移，高浓度样品达 d₀₀₁=1.52 nm（Δd≈0.27 nm），表明 CHX 物种（单葡萄糖酸盐及二葡萄糖酸盐形式）插层并使层间距扩张约 0.5 nm（相对脱水片厚 0.96 nm），符合 CHX 分子平躺单层排布。SEM-EDX 显示随 CHX 负载增加 MMT 中 Na/Si 原子比下降，确证 Na? 被质子化 CHX 物种取代的阳离子交换机制。

3.3. FTIR spectroscopy

两类粘土在 1600–1700 cm?1 出现 CHX 双胍基 C=N 伸缩及 N–H 弯曲新峰，证实 CHX 负载。SEP 在 3720 cm?1 归属于表面 ≡Si–OH 的伸缩振动随 CHX 负载增强而减弱至消失，表明 CHX 与硅醇基形成氢键，表面位点饱和后该峰湮没于水峰中。

3.4. UV–Vis spectroscopy

溶液 UV–Vis 因 CHX 自聚集致吸光度非线性偏离，故以 CHN 定量。固态漫反射显示 MMT-CHX 吸收带宽化、不对称（层间受限效应），SEP-CHX 峰形尖锐对称（外表吸附）。254–270 nm 处红移及展宽源于 CHX 与粘土表面电子相互作用。

3.5. Solid-state nuclear magnetic resonance (NMR)

13C CP/MAS NMR 中芳香碳（128–158 ppm）及脂肪碳（29–57 ppm）化学位移与游离 CHX 接近，双胍区（~158–159 ppm）略向低场偏移，说明 CHX 分子骨架完整保留，与粘土间为弱相互作用（静电/氢键），未发生化学降解。MMT 与 SEP 中信号差异微小，均支持 CHX 化学稳定性。

3.6. Zeta potential: surface charge evolution upon CHX loading

原始 SEP ζ = –18.82 mV，随 CHX 负载升至最高 +9.22 mV（电荷反转），反映外表吸附位点饱和及 CHX 聚集体过量吸附；原始 MMT ζ = –39.28 mV，CHX 负载后降至 –4.14 mV 仍为负值，因插层主要发生于层间、外表面改性有限。ζ 电位变化佐证 SEP 为外表吸附主导并可导致电荷反转，MMT 为层间离子交换致部分中和。热重-差热（TG-DTA）显示 MMT-CHX 分解温度略升高（层间稳定化），SEP-CHX 失重峰较宽（外表不均匀吸附/聚集），与 CHN 结果吻合。

3.7. Antimicrobial activity

最高载药量杂化材料（~2.5 mg/管）对 S. aureus 与 E. coli 均实现完全抑制，LogR ≥ 4（>99.99% 活菌减少），纯粘土对照组无显著抑菌，证明 CHX 生物活性在组装后得以保留。MMT-CHX 因高载药量具持续抑菌潜力，SEP-CHX 因外表快速接触展现初始快速生物活性，二者可互补设计双相释放抗菌体系。

总结讨论与结论

研究表明，粘土硅酸盐结构决定 CHX 组装模式：蒙脱石（MMT）凭借可膨胀层状结构及高阳离子交换容量（CEC ≈ 93 meq/100 g）使 CHX? 通过阳离子交换插层于硅氧层间，导致 d₀₀₁由 1.25 nm 扩至 1.52 nm，CHX 分子以平行单片层排列受限分布于层间；海泡石（SEP）具微纤维形态及低 CEC（~10 meq/100 g），CHX 主要借助氢键吸附于外表面 ≡Si–OH 及结构缺陷微孔，不引起基面间距改变，高负载下形成抗衡离子缔合表聚集体，并发生表面电荷反转。固态 NMR 与 FTIR 证实 CHX 分子完整性未受破坏。两种杂化材料对革兰氏阳性金黄色葡萄球菌与革兰氏阴性大肠杆菌均保有强杀菌活性（LogR ≥ 4）。该研究首次在相同条件下对比层状与纤维状粘土—CHX 相互作用，明确区分插层型（MMT）与外表吸附型（SEP）组装机制及分子排布差异，为设计外用抗菌递送体系（伤口敷料、涂层等）中匹配粘土类型以实现所需 CHX 滞留/释放特征提供依据。