用于生物膜清除的功能化壳聚糖纳米材料：综述

《Carbohydrate Polymers》：Functionalized chitosan nanomaterials for biofilm eradication: A review

　　

摘要

生物膜是高度组织化的微生物群落，被包裹在自身产生的胞外聚合物（EPS）中，EPS主要由多糖、胞外DNA（eDNA）、蛋白质和脂质组成。由于生物膜对抗微生物药物具有耐药性，它们已成为临床医学中面临的重大挑战之一。目前用于控制生物膜的治疗方法疗效有限，这促使人们寻求替代性的抗菌策略。壳聚糖基纳米材料因其阳离子特性、生物相容性、生物可降解性和抗菌活性而受到关注。壳聚糖纳米材料已显示出增强生物膜渗透和破坏的能力。本综述概述了生物膜形成的各个阶段，并讨论了生物膜的重要组成成分。本文详细解释了壳聚糖基纳米材料在对抗细菌生物膜中的作用。本综述还讨论了各种化学修饰方法，如季铵化、巯基化、羧基化、磺化、磷酸化、烷基化和酰化，这些方法可以增强壳聚糖的抗菌和抗生物膜活性。本综述全面揭示了壳聚糖基纳米材料（如纳米颗粒、纳米凝胶、纳米纤维和纳米复合材料）的多功能特性，可用于预防和根除细菌生物膜，并为开发新一代抗生物膜制剂提供了重要见解。

引言

抗微生物耐药性（AMR）被认为是"沉默的流行病"，指微生物在抗微生物药物存在的情况下存活和增殖的能力（de Rosa等，2025；Mestrovic等，2025；Nazir等，2025）。这种耐药性可出现在细菌、病毒、真菌和寄生虫中，削弱了旨在控制或消除它们的 therapeutic agents 的疗效（Belay等，2024；Keenan等，2025）。AMR的主要原因是不恰当使用或过度使用抗微生物药物，尤其是抗生素，这大大加剧了全球AMR的负担（Tang等，2023）。AMR已被记录为21世纪最严重的公共卫生威胁之一（Hassan等，2025；Nazir等，2025）。抗生素耐药性显著降低了抗微生物疗法的有效性，并与死亡率增加和医疗成本高昂相关（Hetta等，2023）。医院获得性感染的普遍存在、医疗器械上微生物生物膜的形成以及新抗生素发现的显著下降使这一挑战进一步加剧。据预测，到2050年，AMR相关感染每年可能导致1000万人死亡，这凸显了全球干预的迫切需求（Nazir等，2025；Norville等，2025；Ortiz-Gómez & Maldonado-Hernández，2025）。涉及AMR相关死亡的主要病原体包括大肠杆菌（*E. coli*）、金黄色葡萄球菌（*S. aureus*）、肺炎克雷伯菌（*K. pneumoniae*）、肺炎链球菌（*S. pneumoniae*）、鲍曼不动杆菌（*A. baumannii*）和铜绿假单胞菌（*P. aeruginosa*）（Durgadevi等，2025；Subhasinghe等，2025）。AMR的产生涉及多种机制，包括外排泵过表达、细胞膜通透性变化、抗生素靶点结构修饰、酶降解抗生素以及生物膜形成（Belay等，2024；Elshobary等，2025；Lan等，2025）。

生物膜形成是微生物的关键生存策略之一，使其能够逃避标准抗微生物疗法并促进感染复发（Tan等，2026）。生物膜是高度组织化的微生物群落，能够粘附在合成和生物表面。它们被包裹在自身产生的EPS中，EPS主要由多糖、eDNA、蛋白质和脂质组成（Grari等，2025；Hamid等，2025；Hernández-Huerta等，2025；Kadirvelu等，2024；Saharan等，2024；Ugwu等，2025）。这种基质（EPS）有助于细胞粘附和凝聚（Grari等，2025）。超过90%的微生物将生物膜形成作为一种自然自我保护策略来对抗临床抗微生物药物（Lan等，2025）。生物膜可能由单一或多微生物物种组成，包括细菌、古菌和真菌（Zhao等，2023）。它们有效抵御抗微生物药物、氧化应激、脱水和宿主免疫（Jahan等，2022）。它们还参与慢性感染的发病机制，已表现出对传统抗微生物治疗的耐药性（Hernández-Huerta等，2025）。此外，生物膜相关感染极难治疗，甚至可能危及生命，尤其是免疫功能受损和植入医疗器械的患者（Hernández-Huerta等，2025；Malinovská等，2023）。生物膜能够在天然生物和非生物表面以及医疗器械上存活（Ugwu等，2025）。导管、人工心脏瓣膜、隐形眼镜和心脏起搏器等医疗器械可作为生物膜形成的适宜表面（Asma等，2022）。嵌入生物膜中的微生物表现出对多种抗生素的耐受性。这使得传统疗法无法有效应对生物膜相关感染，因此迫切需要创新的抗菌和抗生物膜治疗策略（Hamid等，2025；Hindieh等，2025；Srivastava等，2024）。

目前研究专注于开发不同策略，在早期抑制生物膜形成，并使用各种活性化合物破坏成熟生物膜，这些活性化合物通过化学方法制备或从微生物、植物或动物中获取（Brahma等，2018；Khan等，2020）。开发一种无毒、生物相容、生物可降解、环保且经济高效的生物来源抗生物膜制剂至关重要（Khan等，2020）。壳聚糖是一种阳离子多糖，通过脱乙酰化过程从甲壳素中获取（Ahmed等，2025）。由于其出色的生物相容性、生物可降解性和抗菌特性，壳聚糖在生物医学领域获得了广泛关注（Chicea & Nicolae-Maranciuc，2024；Desai等，2023；Harugade等，2023；Pereira Parchen等，2025）。壳聚糖的正电荷使其能够与带负电荷的微生物细胞膜以及生物膜组分（如EPS和胞外蛋白）产生强静电相互作用（Chicea & Nicolae-Maranciuc，2024；Yan等，2021）。据报道，壳聚糖及其衍生物在多种结构形式下均可对微生物生物膜表现出显著的抗生物膜活性（Yan等，2021）。它还作为保护层，防止细菌粘附和涂层表面上的生物膜形成（Fattahi等，2025）。由于其阳离子特性，壳聚糖可与带负电荷的天然或合成聚合物结合，轻松形成多层结构或静电复合物。虽然壳聚糖不溶于水，但在酸性条件下可溶，因为其氨基发生质子化（Dhlamini等，2024）。多种因素影响壳聚糖的抗菌活性，包括其分子量（MW）、脱乙酰度（DD）、来源、浓度以及被处理的微生物类型（Li & Zhuang，2020）。壳聚糖的性能还受到其可变溶解度的限制，这促使人们开发纳米级壳聚糖衍生物作为新一代抗微生物制剂（Luong，2026）。

纳米技术的进步进一步增强了壳聚糖基纳米材料的适用性，通过提高其生物膜渗透能力和抗菌活性（Zheng等，2023）。纳米材料基治疗方法可以提供多种策略来克服AMR，并在医疗保健领域作为管理细菌感染和生物膜的宝贵工具（Dhlamini等，2024；Sarkar等，2024）。纳米技术已成为现代医学中的一种先进方法，为预防和管理传染病提供了创新解决方案（Chen等，2023；Hamid等，2025；Zhu等，2025）。纳米技术在开发创新的生物膜应对方法方面获得了广泛关注，通过安全且有针对性的递送平台治疗各种生物膜相关的微生物感染（Hindieh等，2025；Mohanta等，2023）。此外，一些纳米颗粒药物递送系统具有固有的抗菌活性，从而在抗生物膜感染治疗中表现出增强疗效（Mohsenipour等，2026）。纳米尺度使得纳米颗粒能够增强向生物膜的渗透，并以均匀分布增加局部药物浓度。纳米结构材料可破坏膜完整性和微生物生存所需的重要细胞过程（de Lima等，2025；Lin等，2026；Mohanta等，2023；Xie等，2025）。由于其纳米级尺寸、高表面积与体积比以及增强的化学反应性，纳米材料可替代传统抗生素用于治疗与生物膜相关的感染（Hamid等，2025）。这些材料在控制细菌感染方面十分有效，可用于应对AMR（Ortega-Nieto等，2023；Zhu等，2025）。

纳米技术的快速发展使壳聚糖被加工成不同的制剂形式，如纳米纤维、纳米颗粒、纳米珠和纳米水凝胶（Khan等，2020）。壳聚糖基纳米材料被用作高效的药物递送平台，因其具有多种优势，如控制药物释放、保护 therapeutic agents 免受降解以及增强药物在作用位点的滞留。壳聚糖纳米颗粒（CSNPs）已成功应用于抗菌和抗生物膜领域，以克服天然壳聚糖的固有缺陷（Ahmed等，2025）。病原菌形成的生物膜基质是阻碍抗微生物药物进入并降低其活性的主要屏障。因此，开发壳聚糖基纳米材料可以增强聚合物向生物膜基质的渗透，从而破坏细菌细胞（Khan等，2020）。壳聚糖基制剂展现出令人前景，因为它们促进抗微生物制剂的持续递送，具有出色的生物相容性和低毒性，使其适合对抗AMR（Miranda等，2025；Nejabatdoust等，2024）。

尽管已有多篇综述重点介绍了利用壳聚糖对抗细菌生物膜的最新进展，但这些综述主要关注壳聚糖的特定修饰。本综述概述了壳聚糖衍生物和壳聚糖基纳米制剂抗生物膜特性的当前趋势和最新科学研究发现，重点介绍了壳聚糖基纳米材料（如纳米颗粒、纳米凝胶、纳米纤维和纳米复合材料）作为有前景的抗生物膜治疗手段，在根除细菌生物膜方面的最新发展。

章节摘录

**生物膜形成**

生物膜可以在人体各种表面生长，如呼吸道（患有慢性疾病的患者）、牙齿（牙菌斑）、泌尿道（使用导管的患者）、生物材料（植入物）、医疗器械（假体和导管）、胃肠道和伤口（Sedighi等，2024）。生物膜形成是一个复杂、动态且多方面的过程，受多种因素影响，如外部环境条件、细菌种类以及……

**生物膜组成**

生物膜是细菌群落的三维结构，嵌入在自身产生的基质中，即EPS，也被称为"微生物城市"或"基质组"（图2）（Li等，2024；Pai等，2023；Wang, Liu等，2023）。多糖、蛋白质和eDNA是生物膜EPS基质的主要组成成分（Li等，2024；Saharan等，2024；Sharif & Yadav，2025；Ugwu等，2025）。

**壳聚糖**

壳聚糖是自然界中含量最丰富的生物聚合物之一，来源于甲壳素（Harugade等，2023）。甲壳素是继纤维素之后第二丰富的天然聚合物，存在于甲壳类动物、软体动物和昆虫的外骨骼中，以及某些真菌的细胞壁中（El-Araby等，2024；Ibrahim等，2023；Román-Doval等，2023；Stephen等，2025）。壳聚糖通过甲壳素的脱乙酰化（图3）获得，可使用化学、酶法或微波辅助……

**壳聚糖基纳米材料的抗生物膜功效**

定殖细菌受到生物膜基质的保护，该基质赋予其对抗微生物药物的耐药性。因此，必须开发有前景的药物递送策略，以靶向嵌入的定殖细菌细胞和生物膜基质（Salim & Sathishkumar，2024；Zein等，2024）。纳米颗粒已被证明在根除细菌生物膜方面非常有效，因为它们能够渗透进入EPS、产生活性氧（ROS）、破坏细菌膜并促进靶向……

**刺激响应性壳聚糖纳米材料**

智能纳米颗粒可响应pH、特定酶、配体、ROS以及附近环境释放的有毒物质等刺激，作为传统抗微生物药物的有前景替代方案（Cui等，2022；Landa等，2025）。这些纳米颗粒选择性地响应细菌或其分泌的抗原、酶和毒素，或环境pH变化而释放药物。它们实现向感染位点的精确药物递送并最大限度减少脱靶……

**作用机制**

研究表明，壳聚糖的阳离子氨基与阴离子细菌细胞膜发生静电结合，导致膜破坏和细胞功能障碍（Liu等，2025）。不同的内在和外在因素影响壳聚糖的抗菌活性（Dhlamini等，2024）。内在因素取决于壳聚糖及其衍生物的来源、MW、DD和化学结构。目标微生物类型、pH……

**挑战与未来展望**

壳聚糖是一种天然多糖，因其出色的生物相容性和抗菌特性而被广泛应用于各种生物医学领域。

壳聚糖的抗菌性能通过其抑制细菌生长和阻止生物膜形成的能力来评估。胞外多聚物基质作为生物膜的主要物理屏障，阻止抗菌药物的进入。嵌入胞外多聚物中的细菌细胞受到保护，免受抗菌剂、剪切力和不利环境的影响。结论：抗菌药物耐药性是一个巨大的医学挑战和主要的公共卫生问题，因为对抗生物膜的显著治疗方案仍然持续无效。壳聚糖纳米材料已成为治疗生物膜相关感染的多功能平台。其固有的阳离子特性、纳米级尺寸、制备简便性、生物相容性以及群体感应抑制能力，使其成为应对全球抗菌药物耐药性挑战的前沿方法。壳聚糖纳米颗粒具有优异的特性，如出色的……贡献声明：Shabna Shahabuddin：撰写——初稿、软件。Sathyaraj Weslen Vedakumari：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、监督、概念构思。Lokesh Prabakaran：撰写——初稿、软件。Yovan Raja Pravin：撰写——初稿、概念构思。Jebiti Haribabu：撰写——审阅与编辑。伦理批准：不适用。资金支持：Shabna Shahabuddin感谢来自Chettinad Academy of Research and Education的资金支持。利益冲突声明：作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性财务利益。Shabna Shahabuddin | Sathyaraj Weslen Vedakumari | Lokesh Prabakaran | Yovan Raja Pravin | Jebiti Haribabu