电活性细菌纤维素-碳纳米管复合膜对抗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的生物膜感染研究

为解决日益严重的抗生素耐药性问题，研究人员开发了一种由细菌纤维素(BC)和碳纳米管(CNT)组成的电活性复合膜(BC-CNT)，用于治疗耐万古霉素中间型金黄色葡萄球菌(S. aureus)感染。通过电化学疗法(ECT)增强抗生素敏感性，该复合膜在1小时内抑制了92%以上的生物膜形成，为皮肤和软组织感染提供了创新解决方案。

　　

抗生素耐药性已成为全球健康领域的重大挑战，其中金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)因其快速进化和生物膜形成能力，成为皮肤感染的主要病原体。尽管万古霉素长期被视为"最后防线"抗生素，但耐万古霉素中间型金黄色葡萄球菌(VISA)的出现使得治疗愈发困难。生物膜作为细菌的天然屏障，进一步降低了抗生素渗透性，导致慢性感染难以根治。

美国国立卫生研究院(NIH)资助的研究团队创新性地将生物材料与电化学疗法结合，开发出细菌纤维素-碳纳米管(BC-CNT)复合膜。这种电活性敷料通过局部电刺激产生抗菌活性氧(ROS)，同时增强万古霉素的渗透性，在《Biofilm》发表的研究中展现出突破性的抗生物膜效果。

研究采用多学科交叉方法：通过Komagataeibacter sucrofermentans发酵生产BC基质；利用电化学阻抗谱(EIS)分析复合材料导电性；采用分布弛豫时间(DRT)技术解析电荷转移过程；结合COMSOL多物理场模拟电场分布；最后通过荧光成像定量评估对GFP标记S. aureus生物膜的抑制效果。

【CNT在BC-CNT中的整合与稳定性】
研究显示5% CNT负载使BC电导率提升至29.6 μS/m，TEM证实CNT牢固附着于BC纤维。UV-Vis检测表明48小时内CNT释放率仅6%，证明材料稳定性。表面孔隙从5.56 μm²(纯BC)缩小至0.65 μm²，而内部孔隙保持7 μm²左右，兼顾药物负载与机械强度。

【电化学细胞设计与模拟】
COMSOL模拟显示5V电压在BC-CNT上形成非均匀电场，酚红染色证实工作电极(W.E.)区域pH降低。这种酸化环境增强CNT稳定性，同时促进电解产生杀菌物质。

【抗菌效果验证】
在含3.125-6.25 μg/mL万古霉素条件下，2.5V电压即可抑制43.49%生物膜形成。5V联合6.25 μg/mL万古霉素时，抑制率高达91.58%。热成像排除温度干扰，证实杀菌效果源于电化学反应。

该研究开创性地将BC的生物相容性与CNT的导电特性结合，通过电化学调控局部微环境，实现三重抗菌机制：物理破坏生物膜结构、化学产生活性氧、生物增强抗生素渗透。相比传统敷料，BC-CNT具有可降解、精准调控、协同增效等优势，为慢性伤口管理提供了新范式。特别值得注意的是，该系统在低于医疗安全标准(5V)的电压下工作，与临床常用的经皮电神经刺激(TENS)设备相当，具有良好转化前景。未来通过优化CNT功能化和电场参数，这种"智能敷料"有望拓展至骨科植入物感染等更复杂场景，为后抗生素时代提供新的抗感染策略。