铜功能化多壁碳纳米管抗金黄色葡萄球菌生物膜的潜力研究

【编辑推荐】医疗设备相关生物膜感染是全球健康挑战，葡萄牙研究团队创新性地将铜(Cu)与多壁碳纳米管(MWCNTs)功能化，开发出Cu-MWCNTs复合材料。该材料在3% (w/v)浓度下可显著破坏预形成的金黄色葡萄球菌(S. aureus)生物膜结构，使活菌数降低1.30 Log，并通过破坏细胞膜完整性和抑制代谢活性发挥协同抗菌作用，为医疗器械抗感染涂层提供了新策略。

　　

论文解读

在医疗领域，植入式器械表面形成的细菌生物膜如同顽固的"微生物堡垒"，使常见病原体金黄色葡萄球菌(S. aureus)对抗生素的耐药性提升1000倍。这些由细菌分泌的胞外聚合物(EPS)构成的立体防御工事，不仅导致每年数百万例导管相关感染，更可能引发致命性败血症。传统抗生素在生物膜面前屡屡败北，迫使科学家将目光投向纳米材料这一新兴武器。

碳纳米管(CNTs)因其独特的穿刺物理特性和高比表面积，被视为潜在的"纳米矛"。但单纯的多壁碳纳米管(p-MWCNTs)在5%浓度下仅能减少0.74 Log活菌，远未达到临床需求。此时，葡萄牙研究团队巧妙借鉴了人类使用铜器杀菌的古老智慧——将铜(Cu)与MWCNTs结合，创造出新一代抗菌材料Cu-MWCNTs。这项发表在《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》的研究，首次揭示了铜修饰如何让纳米管变身"特洛伊木马"，从内部瓦解细菌防线。

研究团队采用湿法浸渍制备Cu-MWCNTs，通过ICP-OES、SEM/EDS等技术确认材料特性；使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)模拟医疗器械表面培养48小时生物膜；结合共聚焦显微镜(CLSM)、流式细胞术和扫描电镜(SEM)多维度评估抗菌效果。

3.1 材料特性表征
ICP-OES显示Cu负载量达5.7 wt%，48小时浸泡后仍保留2.4 wt%活性铜。SEM图像中铜颗粒如"纳米弹药"均匀分布在MWCNTs表面（图1），EDS谱图明确检测到铜特征峰。N₂吸附测试表明功能化使材料比表面积从193增至197 m²/g，zeta电位从-20 mV升至-16 mV，这种电荷变化如同给纳米管装上"磁性靴"，使其更易贴近带负电的细菌表面。

3.3 抗菌性能突破
CLSM三维重构图像直观显示，3% Cu-MWCNTs处理6小时后，生物膜从84%覆盖率坍塌至23%，活菌比例从93%骤降至25%（图3）。定量数据更令人振奋：相比p-MWCNTs的0.74 Log减菌，Cu-MWCNTs实现1.30 Log杀伤效果，相当于每100个细菌仅存活5个。SEM下可见细菌细胞被纳米管网络缠绕，形态扭曲如"泄气皮球"（图5），证实物理损伤机制。

3.4 作用机制解密
流式细胞术揭示双重杀机：PI染色显示膜完整性破坏（荧光强度增1.56倍），CFDA检测到代谢活性腰斩（图6）。有趣的是，虽然铜离子以产生活性氧(ROS)著称，但DCFH-DA检测未发现ROS显著增加，说明Cu-MWCNTs主要通过"机械破坏+代谢干扰"的非氧化途径作战，这种特性可避免炎症反应，在医疗应用中更具安全性优势。

这项研究开创性地证明，铜与MWCNTs的联合作战能有效攻克生物膜这一医学难题。3% Cu-MWCNTs在6小时内展现的抗菌效率，已接近部分临床消毒剂标准。特别值得关注的是，材料在模拟体液环境中保持稳定，铜离子释放量（0.43 ppm）远低于人体安全阈值（0.7-1.5 ppm）。研究者建议下一步将Cu-MWCNTs嵌入聚二甲基硅氧烷(PDMS)基质，既可防止纳米管脱落，又能拓展其在导管、心脏瓣膜等器械的应用。

从古老铜器到现代纳米技术，人类与微生物的军备竞赛从未停止。这项研究为抗感染材料开发提供了新范式——通过精准调控纳米材料表面特性，实现物理杀伤与化学攻击的协同作战。随着耐药菌威胁日益严峻，这种"以彼之矛攻彼之盾"的策略，或将成为破解生物膜难题的关键钥匙。