二氧化钛纳米颗粒增强环丙沙星活性：通过抑制多药耐药细菌生物膜形成的体外及计算机模拟研究

为解决多药耐药病原菌对抗生素的耐药性问题，研究人员开展了一项关于二氧化钛纳米颗粒(TiO2NPs)与环丙沙星(CIP)联合应用的研究。通过激光烧蚀法制备CIP@TiO2NPs，并利用UV-Vis、XRD、FESEM、TEM和FTIR等技术进行表征。结果显示，CIP@TiO2NPs对肺炎克雷伯菌(K. pneumoniae)和变形链球菌(S. mutans)表现出显著的抗菌和抗生物膜活性，其抑制区分别为28.50±0.20 mm和17.50±0.10 mm。分子对接模拟进一步证实了CIP@TiO2NPs与细菌靶蛋白的高结合亲和力(结合能达-9.61 kcal/mol)。这项研究为开发新型纳米抗生素提供了重要依据，为解决多药耐药问题开辟了新途径。

　　

抗生素耐药性已成为全球公共卫生的重大挑战，多药耐药病原菌的不断涌现使得传统抗生素的疗效大打折扣。这一问题尤其令人担忧，因为许多常见病原菌，如肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumoniae)和变形链球菌(Streptococcus mutans)，不仅对多种抗生素产生耐药性，还能形成难以清除的生物膜，进一步加剧治疗难度。面对这一严峻形势，科学家们将目光投向了纳米技术与传统抗生素的联合应用，希望通过纳米材料的独特性质增强抗生素的效力，突破耐药性壁垒。

在这一背景下，来自伊拉克马扎亚大学学院、巴格达技术大学等机构的研究团队开展了一项创新性研究，探索二氧化钛纳米颗粒(TiO₂NPs)与环丙沙星(Ciprofloxacin, CIP)的协同抗菌效应。研究人员采用脉冲激光烧蚀法(PLAL)成功制备了CIP@TiO₂NPs复合物，并通过一系列先进的表征技术证实了其结构和性质。这项研究不仅通过实验验证了复合纳米材料的抗菌性能，还利用计算机模拟深入探究了其分子作用机制，相关成果发表在《Scientific Reports》上，为开发新型抗菌策略提供了重要参考。

为开展这项研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：通过脉冲激光烧蚀法合成TiO₂NPs并与CIP结合形成复合物；利用UV-Vis光谱、X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、透射电镜(TEM)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)对材料进行表征；采用微量稀释法测定最低抑菌浓度(MIC)；通过结晶紫染色法评估抗生物膜活性；运用分子对接技术分析CIP@TiO₂NPs与细菌靶蛋白的相互作用。

在"Results and discussion"部分，研究团队详细报告了他们的发现。通过"Characterization"分析，他们观察到CIP@TiO₂NPs溶液颜色从乳白色变为浅棕色，紫外-可见光谱显示吸收峰从255 nm红移至300 nm，表明成功形成了复合物。XRD分析证实了TiO₂NPs的面心立方结构，而FTIR光谱则检测到了CIP特征官能团的振动峰，验证了复合物的化学组成。

电子显微镜结果("FE-SEM and TEM analysis")显示，TiO₂NPs呈球形，平均尺寸约17 nm，而与CIP结合后粒径略有增加(约27 nm)。这些纳米颗粒表现出良好的分散性，为后续的生物活性研究奠定了基础。

在"Molecular Docking simulation"部分，研究人员对CIP@TiO₂NPs与两种细菌靶蛋白(肺炎克雷伯菌8JGW和变形链球菌3IHK)的相互作用进行了深入分析。结果显示，复合物与肺炎克雷伯菌的结合能高达-9.61 kcal/mol，主要通过氢键、π-π堆积和π-烷基相互作用与HIS 384、ARG 410等氨基酸残基结合。这种强相互作用为解释其增强的抗菌活性提供了分子层面的依据。

抗菌实验("Assessment of MIC"和"Antibacterial activity")获得了令人振奋的结果。CIP@TiO₂NPs对肺炎克雷伯菌和变形链球菌的MIC值分别降至≤32 μg/mL和≤16-32 μg/mL，显著低于单独使用CIP或TiO₂NPs时的效果。抑菌圈实验进一步证实，复合物的抑菌效果(28.50±0.20 mm对肺炎克雷伯菌)明显优于单一成分。

在"Anti-biofilm activity"研究中，结晶紫染色和显微镜观察显示，CIP@TiO₂NPs能有效抑制生物膜形成，在25 μg/mL浓度下即可显著减少细菌聚集和生物膜密度。这一发现尤为重要，因为生物膜的形成是细菌产生耐药性和持续感染的关键因素。

综合研究结果，作者在"Conclusions"部分指出，CIP@TiO₂NPs展现出卓越的抗菌和抗生物膜性能，其作用机制可能包括：增强细胞膜穿透性、促进活性氧(ROS)生成、抑制DNA回旋酶活性以及干扰细菌蛋白相互作用。这项研究的创新之处在于将纳米材料的光催化特性与抗生素的抗菌作用相结合，通过计算机模拟和实验验证双重手段，系统阐述了复合物的作用机制。

这项研究的重要意义在于为解决日益严峻的抗生素耐药性问题提供了新思路。CIP@TiO₂NPs不仅能够增强现有抗生素的效力，还能对抗顽固的生物膜形成，这对治疗慢性感染具有特殊价值。此外，研究采用的激光烧蚀法为纳米抗生素的制备提供了一种绿色、可控的合成途径。未来研究可以进一步优化纳米颗粒的制备工艺，探索其体内活性和安全性，推动这一技术向临床应用转化。这项成果发表在《Scientific Reports》上，为纳米材料在抗感染治疗中的应用开辟了新的可能性。