NiTiO3-多巴胺纳米复合材料通过膜破坏与氧化应激机制对抗耐药病原体的研究

本研究创新性合成NiTiO3-多巴胺纳米复合材料，通过XPS和PL光谱证实其结构特性与氧空位缺陷。该材料对多重耐药菌（如S. aureus、K. pneumoniae）和真菌C. albicans展现显著抗菌活性，MIC值低至600 μg/mL，通过ROS介导的氧化应激和膜破坏机制发挥作用。斑马鱼胚胎实验证实其优异生物相容性，为耐药菌感染治疗提供新型纳米材料解决方案。

　　

Abstract

针对多重耐药病原体日益严重的威胁，本研究报道了NiTiO₃纳米颗粒与多巴胺功能化NiTiO₃纳米复合材料的合成。XPS研究证实纳米复合物中存在Ni²⁺和Ti⁴⁺，以及对应多巴胺涂层的C 1s和O 1s峰。光致发光光谱显示NiTiO₃-多巴胺在510、518和527 nm处呈现显著绿色发射带，源于与氧空位等复杂缺陷相关的深层复合重组。相较于单独NiTiO₃，NiTiO₃-多巴胺对金黄色葡萄球菌（S. aureus）、枯草芽孢杆菌（B. subtilis）、肺炎克雷伯菌（K. pneumoniae）、痢疾志贺菌（S. dysenteriae）及白色念珠菌（C. albicans）展现出增强的抗菌活性。最小抑菌浓度（MIC）和最小杀菌浓度（MBC）试验进一步表明，对肺炎克雷伯菌的MIC为600 μg/mL，MBC为1000 μg/mL，优于纯NiTiO₃。ROS试验证实其通过氧化应激介导抗菌作用，组氨酸存在时ROS水平显著淬灭。细菌形态SEM图像显示经NiTiO₃-多巴胺处理的细胞出现广泛膜破裂。斑马鱼胚胎试验证实该材料具有优异生物相容性，受精后72小时内胚胎发育正常。

Introduction

抗生素耐药微生物菌株带来的日益严重威胁已成为全球健康问题。诸如金黄色葡萄球菌（皮肤软组织感染）、枯草芽孢杆菌（机会性呼吸道与伤口感染）、肺炎克雷伯菌（肺炎/尿路/血流感染）、痢疾志贺菌（严重胃肠道感染）和白色念珠菌（口腔/阴道/全身性真菌感染）等病原体引发多种疾病。由于多重耐药性、生物膜形成及真菌病原体敏感性降低，许多感染难以用传统抗生素治疗，这凸显开发替代抗菌策略的迫切性。在此背景下，纳米技术已成为开发潜在抗菌剂的重要途径。

纳米材料因其纳米级尺寸和表面体积比，能更有效与微生物膜相互作用。此外，纳米颗粒可被设计具备多功能特性，如靶向递送、持续释放及同步抗菌抗氧化活性。这些特性使纳米技术成为克服传统抗菌策略局限性的 promising 方向。纳米金属氧化物已被用作处理多种病原体的抗菌剂。在多种金属氧化物中，镍钛酸盐（NiTiO₃）因其优异热稳定性、光催化活性和电子特性受到关注。其宽禁带和产生活性氧（ROS）的能力使其适合抗菌抗氧化应用。黄等人报道NiTiO₃/TiO₂纳米结构对水分解产氢展现优异光催化活性。卡里姆等人制备的NiTiO₃/石墨烯纳米复合物产氢量达8383 μmol/(h·g)。阿拉姆等人最近研究报道蒽醌修饰的NiTiO₃–g-C₃N₄ S型光催化剂因改善电荷分离而增强析氢，这突显有机分子整合提升NiTiO₃基复合材料光催化与电子传输效率的潜力。蒂亚加拉詹等人证明Pt–NiTiO₃/C纳米复合物在甲醇氧化中，尤其在碱性介质中，展现 superior 电催化性能。该研究强调NiTiO₃与Pt的强相互作用，增强CO氧化和整体催化剂稳定性，支持其在电化学应用中的多功能作用。

然而，NiTiO₃的团聚倾向限制表面反应性，常制约其生物有效性。为克服这些局限，已探索表面功能化策略以改善纳米材料的分散性、稳定性和生物界面相容性。

多巴胺作为天然儿茶酚胺，因其强粘附特性及儿茶酚和胺官能团存在提供独特优势。这些官能团不仅增强与金属氧化物表面结合，还改善生物相容性与生物系统相互作用。此外，多巴胺功能化可增强电子转移、减少光诱导载流子复合，并提升抗氧化和抗菌效能。最近研究报道多巴胺修饰纳米材料在靶向药物递送、组织工程和抗菌涂层中的益处。然而，多巴胺功能化NiTiO₃纳米复合物的应用仍待深入探索，尤其是在涉及抗菌作用、ROS生成和体内生物相容性的全面生物学评价方面。

本研究采用简单绿色功能化方法合成NiTiO₃纳米颗粒和NiTiO₃-多巴胺纳米复合材料。对材料进行全面表征，并评估其对细菌和真菌菌株的抗菌活性、抗氧化性能、ROS介导机制及使用斑马鱼胚胎的体内生物相容性。系统讨论多巴胺涂层对NiTiO₃物理化学和生物学特性的协同效应，突显该复合材料作为生物医学和环境应用安全有效材料的潜力。

Conclusion

通过多种分析技术合成并确认NiTiO₃-多巴胺纳米复合材料。XPS和PL分析证实形成具有改善表面化学和载流子动力学的稳定纳米复合物。NiTiO₃-多巴胺材料展现 superior 抗菌活性，抑菌圈直径高达20.1 mm。观察到MIC值低至600 μg/mL，MBC为1000 μg/mL，超越纯NiTiO₃效能。ROS试验证实氧化应激介导的抗菌机制，SEM图像显示细菌膜破裂。斑马鱼胚胎试验证实NiTiO₃-多巴胺纳米复合物具有优异生物相容性，支持其在生物医学应用中的潜力。