吡咯并嘧啶修饰壳聚糖水凝胶：增强电学特性与抗菌活性的多功能材料

《Scientific Reports》：A novel, multifunctional pyrrolopyrimidine-modified chitosan hydrogel for potential applications with enhanced electrical characteristics and antimicrobial activity

　　

本研究合成了一种新型吡咯并嘧啶修饰壳聚糖水凝胶（3）并对其进行表征。首先合成吡咯并嘧啶化合物（2），随后利用该化合物通过形成亚胺键对壳聚糖进行化学修饰。采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、质子核磁共振（1HNMR）和碳核磁共振（13CNMR）以及场发射扫描电子显微镜（FESEM）对所合成的化合物进行表征。研究人员对所制备的水凝胶进行了多功能研究，包括电学特性和抗菌活性。本项研究在不同频率和温度下，考察了吡咯并嘧啶修饰壳聚糖水凝胶相较于纯壳聚糖样品的介电和交流电导特性，并与纯壳聚糖网络进行对比。在20–90 °C的温度范围和一定频率范围内，系统研究了吡咯并嘧啶修饰壳聚糖水凝胶的介电和交流电导特性，并以纯壳聚糖网络作为基准。由于来自移动离子和沿极性基团捕获电荷的显著Maxwell-Wagner-Sillars界面极化，纯壳聚糖表现出较高的低频介电损耗和介电常数，同时其交流电导率受离子跳跃机制控制。吡咯并嘧啶修饰在保持介电常数的同时显著抑制了介电损耗，在中频区域引入特征性电导率最小值，表明长程离子迁移受限，并产生具有减少耗散路径的热稳定响应。这些增强源于杂芳香族交联、π–π相互作用以及受限的链段运动性，从而限制了电荷积累和泄漏。这种可调控的介电和导电行为使吡咯并嘧啶-壳聚糖水凝胶成为用于需要平衡极化和最小损耗的电活性器件、传感器及储能系统的有前景材料。研究人员还研究了所合成化合物的抗菌活性。实验针对两种革兰氏阳性菌（蜡样芽孢杆菌33018和枯草芽孢杆菌6633）、两种革兰氏阴性菌（铜绿假单胞菌9027和鼠伤寒沙门氏菌14028）以及两种酵母样真菌（白色念珠菌10231和热带念珠菌750）进行测试。将目标化合物（1–3）的抗菌活性与阿莫西林（针对细菌）和克霉唑（针对酵母和真菌）进行比较，并检测了所制备化合物的最低抑菌浓度。结果表明，吡咯并嘧啶化合物（2）对细菌和真菌菌株均具有高活性。纯壳聚糖的抗菌活性较低。通过吡咯并嘧啶化合物修饰壳聚糖后，其对细菌菌株的活性增加，但对真菌菌株无活性。基于上述结果，所合成的吡咯并嘧啶衍生物及修饰后的壳聚糖水凝胶展现出适用于生物医学应用的有用特性，包括作为抗菌伤口护理和药物递送材料的潜在用途。此外，所获得的改性水凝胶的介电和交流电导特性结果表明，其在需要对介电特性进行控制、具有低介电损耗和抗菌特性的特定传感、生物电子及电活性系统中具有应用潜力。

论文解读文章

研究背景与科学问题

聚合物材料因其纳米科学的进步而广泛应用于生活的各个领域。壳聚糖是一种从甲壳素中提取的多功能氨基多糖生物聚合物，具有广泛的抗菌功效、良好的生物相容性、可生物降解性、低毒性和环境可持续性，被视为传统抗菌剂的天然替代品。然而，纯壳聚糖的抗菌活性相对有限，且其在高频电子器件、传感器等电活性应用中的介电性能有待进一步优化。另一方面，吡咯并嘧啶是一类由嘧啶环和吡咯环稠合而成的平面刚性杂环化合物，已知具有显著的抗菌和抗真菌活性。尽管已有大量关于壳聚糖复合材料电学性能和生物活性的研究，但据研究人员所知，尚未有关于吡咯并嘧啶化合物的电学研究。因此，本研究的核心目标是设计一种兼具抗菌性能和导电能力的壳聚糖基水凝胶，通过引入吡咯并嘧啶基团来改变聚合物链的局部环境，从而同时影响微生物活性和凝胶中的传导过程，这对于开发用于医学和生物工程的多功能材料具有重要意义。

研究方法概述

研究人员采用多步合成策略：首先通过3,5-二甲氧基苯甲醛、丙二腈和脲在碳酸钾存在下的缩合反应合成嘧啶化合物（1）；随后将其与戊二醛反应生成含有醛基的吡咯并嘧啶化合物（2）；最后将该化合物与壳聚糖在乙酸水溶液中通过醛基与氨基之间的亚胺键形成反应，制得吡咯并嘧啶修饰壳聚糖水凝胶（3）。利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、质子核磁共振（¹HNMR）、碳核磁共振（¹³CNMR）和场发射扫描电子显微镜（FESEM）对所有中间体和最终产物进行结构表征。介电性能测试使用LCR HiTester在50 Hz至5 MHz的频率范围和20–90 °C的温度范围内进行。抗菌活性评估采用琼脂扩散法，针对两种革兰氏阳性菌（蜡样芽孢杆菌33018和枯草芽孢杆菌6633）、两种革兰氏阴性菌（铜绿假单胞菌9027和鼠伤寒沙门氏菌14028）和两种酵母样真菌（白色念珠菌10231和热带念珠菌750）进行测试。

研究结果

合成与表征：

研究人员成功合成了嘧啶化合物（1），并通过FTIR和¹HNMR确认其结构，其中FTIR显示NH₂（3441 cm^-1）、NH（3345 cm^-1）、C≡N（2188 cm^-1）和C=O（1668 cm^-1）的特征吸收峰。吡咯并嘧啶化合物（2）通过嘧啶化合物与戊二醛的反应获得，FTIR证实了醛基（CHO）在1713 cm^-1的出现和氰基峰的消失，表明成环反应成功。¹HNMR和¹³CNMR谱图进一步验证了其正确结构。吡咯并嘧啶修饰壳聚糖水凝胶（3）的FTIR显示在1640 cm^-1处出现了亚胺（N=CH）基团的伸缩振动峰，证明醛基与壳聚糖氨基之间发生了缩合反应。FESEM图像显示改性后的水凝胶呈现均匀的片状结构，表面分布有不规则空隙，与纯壳聚糖的平坦表面形态明显不同，证实了改性反应的成功。

介电性能研究：

研究表明，在所有温度下，纯壳聚糖和改性壳聚糖的介电损耗和介电常数均随频率升高而急剧下降，随后在高频区趋于平稳，反映了从电极/界面极化和空间电荷贡献向偶极子和体相极化过程的转变。纯壳聚糖在低频区尤其是高温条件下表现出非常大的介电损耗和介电常数值，表明存在强烈的Maxwell-Wagner-Sillars界面极化效应，这与沿主链羟基和氨基基团的捕获电荷和移动离子有关。吡咯并嘧啶修饰显著降低了低频介电损耗，同时保持了相对较高的介电常数，表明杂芳香族片段限制了长程离子漂移，同时保留了改性链中极性官能团产生的局域偶极取向。这种介电损耗的抑制作用在更高温度下更为明显，意味着新的交联环境和吡咯并嘧啶环之间可能的π–π相互作用阻碍了界面处的电荷积累，并通过减少耗散路径改善了储能行为。

交流电导率研究：

对于纯壳聚糖，电导率在所有温度下均随频率单调增加，呈现出无序聚合物电解质的典型行为，电荷传输由局域离子的跳跃主导，并在色散区遵循幂律依赖关系。高温下电导率显著增强，反映了沿水合壳聚糖链和通过非晶区的热激活载流子运动。相比之下，改性壳聚糖水凝胶在中频区域出现了一个特征性电导率最小值，将受电极极化和移动离子阻塞影响的低频区与跳跃和链段辅助输运主导的高频区分开。这一最小值的出现以及低、中频区整体较低的电导率值表明，吡咯并嘧啶基团可能引入了限制长程离子迁移的局域势垒或陷阱位点，从而减少了漏电流并改善了水凝胶的绝缘特性。在高频区，改性体系的电导率增加并接近纯壳聚糖的水平，表明局域跳跃过程在更刚性的网络中仍能有效发生。

抗菌活性研究：

抗菌测试结果显示，嘧啶化合物（1）对大多数测试菌株表现出与阿莫西林相当的活性。将其转化为吡咯并嘧啶化合物（2）后，对大多数菌株的抗菌活性显著提高，最低抑菌浓度（MIC）达到12.5 μg/mL，优于阿莫西林。纯壳聚糖对细菌和真菌菌株均表现出较低的活性。通过吡咯并嘧啶化合物修饰壳聚糖后，所得水凝胶（3）对不同细菌菌株的抗菌活性增加，但对真菌菌株（如白色念珠菌、热带念珠菌、黑曲霉和黄曲霉）未显示出活性。研究人员提出，所制备化合物可通过其杂原子（O和N）吸附并限制微生物生长，破坏细胞壁和细胞膜以增加通透性，以及通过产生活性氧物种抑制DNA和蛋白质等多种作用机制发挥抗菌效果。

讨论与结论

研究人员成功通过亚胺键的形成合成了吡咯并嘧啶修饰壳聚糖水凝胶，获得了兼具改善介电性能、交流电导特性和抗菌活性的多功能材料。与纯壳聚糖相比，吡咯并嘧啶修饰降低了低频介电损耗并阻止了长程电荷转移，同时在测试频率和温度范围内保持了可检测的介电响应。该改性水凝胶的抗菌活性较纯壳聚糖有所提高，但对真菌活性较低。研究结论指出，同时具备抗菌功能和可控电学及介电特性的双重性质，预示了该材料在抗菌传感、生物电子学和生物医学领域的进一步研究和应用前景，但这些应用并未在本研究中直接测试，需要开展更多研究对其性质和实际应用进行评估。