用Co-MOF对二维MoS2表面进行工程化处理以增强抗菌活性

《Inorganic Chemistry Communications》：Engineering the surface of 2D MoS 2 with Co-MOF for enhanced antibacterial activity

　　• 通过水热法合成了Co-MOF和Co-MOF@MoS?（CMM）复合材料。
• 采用PXRD、TEM和XPS技术对CMM复合材料进行了表征。
• CMM对MRSA和大肠杆菌均表现出优异的抗菌活性。
• 通过GSH消耗研究评估了杀菌机制。

引言
开发新型抗菌剂至关重要，因为由于抗生素的过度使用，细菌菌株中多重耐药性的急剧增加导致现有药物越来越无效。[1]，[2]。为应对这一挑战，已探索了创新的抗菌策略，例如依赖金属纳米颗粒、噬菌体疗法、反义寡核苷酸（ASOs）[3]，[4]、抗菌肽[5]和致病性阻断剂的方法。这些先进方法通过绕过常见的耐药机制或相较于传统抗生素更显著地降低细胞毒性，对多重耐药（MDR）细菌显示出有前景的抗菌活性。然而，寡核苷酸和肽类策略的有效性可能受到大分子尺寸、强阴离子电荷以及细菌膜亲水性等因素的限制，这些因素阻碍了渗透效率和稳定性[6]，[7]，[8]。半导体光催化剂在抗菌领域的应用近年来引起了极大关注[9]。

在阳光照射下，半导体光催化剂可以与周围环境中的氧气和水相互作用，生成多种活性氧物种（ROS），包括超氧阴离子自由基（O?.–）[10]，[11]、羟基自由基（·OH）[12]，[13]和单线态氧物种（1O?）[14]。这些ROS能够穿透细菌细胞，攻击胞内生物分子，如磷脂、蛋白质和核酸，从而导致耐药细菌的抑制和崩解[15]。此外，诸如金属氧化物、金属硫化物和碳基材料等半导体光催化剂具有内在的过氧化物酶样活性，使其能够催化低浓度H?O?转化为高活性的·OH自由基，这些自由基表现出比单独H?O?更强的抗菌活性[16]。总之，半导体光催化剂的独特抗菌机制不仅增强了细菌灭活效果，还最大程度地减少了细菌耐药性的发展[17]。

金属有机框架（MOFs）[18]，[19]，也称为多孔配位聚合物，是一类新型的晶态多孔材料，具有由有机配体与金属离子或簇配位形成的周期性网络结构。由于其多功能性、高比表面积（SSA）和骨架的可调性而受到广泛关注。由于这些固有优势，MOFs及其衍生材料已被广泛探索用于各个领域的潜在应用。例如，从Cu-MOFs的多面体形貌获得的多孔CuO/Cu?O异质结构在低温下通过NH?选择性催化还原NO?方面表现出优异的活性，同时具有大孔体积和高表面积[20]，[21]。最近，Choi及其同事报道了通过利用电化学置换在Co-BDC（1,4-苯二甲酸）MOF表面修饰AgNPs，成功开发了近红外响应型抗菌纳米复合材料（NCs）。所得的Ag@Co-MOF通过持续释放Ag?和Co3?离子，破坏了细菌膜完整性，从而增强了抗菌活性。此外，Ag@Co-MOF在近红外照射下的光热效应加速了金属离子释放，导致细菌膜完全破裂，协同增强了释放金属离子的内在抗菌性能[22]。此外，Wei-Kuan Hung等人报道了将CoNi-MOF整合到MoS?纳米片上（通过光学和化学分析确认）。CoNi-MOF/MoS?异质结构具有较高的可见光吸收能力，而CoNi-MOF/MoS?界面处的高效电荷转移有效抑制了光生电子-空穴对的复合。这些协同效应是CoNi-MOF/MoS?纳米复合材料优异光催化性能的主要原因，其中MoS?纳米片在可见光照射下促进光催化降解方面发挥着关键作用[23]。除了用作催化剂[24]外，MOFs还被研究作为潜在的吸附剂[25]，以及用于储能、光催化[26]、化学治疗[27]，[28]、催化[29]和电化学传感[30]等应用。越来越多的注意力集中在它们在抗菌和伤口愈合应用中的使用。因此，Cu2?、Zn2?、Co3?和Ag?等金属离子可以掺入MOFs中，其框架在特定环境（无论是通过生物刺激还是外部刺激）下降解，从而实现金属离子的受控和持续释放，从而提供持久的抗菌效果[31]，[32]，[33]。

在半导体纳米材料中，二维过渡金属二硫化物（2D-TMDs），如二硫化钼（MoS?），继石墨烯[34]，[35]，[36]、MXenes[37]之后引起了广泛关注，因为其具有高比表面积、低细胞毒性、高生物降解性、快速排泄、易于合成和成本效益等优点。与石墨烯[38]相比，MoS?表现出更高的灵敏度，并作为生物成像[39]、癌症治疗[40]、抗菌活性[41]，[42]、伤口愈合[43]和光学传感[44]的优良纳米探针。强大的光吸收能力和出色的生物相容性使MoS?成为癌症治疗和抗菌应用中光热治疗的有前景候选材料[45]。然而，MoS?相对较窄的带隙导致光生载流子快速复合，这显著限制了其抗菌效率。为了克服这一限制，基于灭菌的组合策略被认为是增强其抗菌性能的有前景方法[17]。然而，原始MoS?存在某些局限性，如高活性表面位点数量相对有限、纳米片可能的重新堆叠/聚集，以及其抗菌性能依赖于表面结构和活化条件，这些可能限制其催化和抗菌效率。因此，以往的研究强调了MoS?的表面功能化和与互补材料的杂化作为改善其抗菌性能的有效方法[35]，[46]。另一方面，选择Co-MOF作为改性组分，因为其多孔骨架和可接近的钴中心提供了额外的催化活性位点，并可促进ROS生成[47]，[48]。因此，设计将Co-MOF与MoS?整合，旨在结合MoS?的有利二维表面特性与Co-MOF的多孔和催化活性性质。所得的Co-MOF@MoS?界面预计将提供比单独组分更大数量的可接近活性位点和互补的抗菌途径。

基于文献先例，我们假设将Co金属离子整合到MOF结构中，然后合成Co-MOF@MoS?纳米复合材料，可能产生具有所需性质的潜在抗菌材料。该纳米复合材料通过简单的水热方法制备，随后通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）进行系统表征。通过评估最低抑菌浓度（MIC）和最低杀菌浓度（MBC），评价了Co-MOF@MoS?对大肠杆菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的抗菌活性。此外，通过谷胱甘肽（GSH）消耗确认的细胞外ROS生成被发现是主要作用机制。还进行了针对大肠杆菌和MRSA的抗生物膜活性相关研究，随后评估了纳米复合材料的生物相容性。

章节片段
Co-MOF的合成
将0.25 mol的2-羟基对苯二甲酸和0.3 mol的CoCl?·6H?O溶解在10 mL乙醇和DMF（1:1体积比）中。溶液在室温下连续搅拌5小时，然后转移到聚四氟乙烯内衬的高压釜容器中。在170 °C下保持24小时。冷却至室温后，离心溶液，残余物在真空烘箱中60 °C干燥12小时，得到Co-MOF纳米颗粒[49]。

MoS?的合成
MoS?基于相同方法合成。

结果与讨论
通过上述技术制备了Co-MOF、MoS?和CMM纳米复合材料。随后，通过各种光学/显微镜方法对其进行表征，以了解其结构和性质。

结论
在本研究中，成功开发了一种对MRSA和大肠杆菌具有有效抗菌活性的Co-MOF@MoS?（CMM）纳米复合材料。使用Alamar Blue测定进一步验证了抗菌性能，其中纳米复合材料处理在250 μg/mL浓度下对大肠杆菌表现出约95%的生长抑制，在500 μg/mL浓度下对MRSA表现出约92%的抑制。CMM纳米复合材料增强的抗菌功效可归因于Co-MOF中氧化还原活性钴中心的存在，这促进了

相关内容
支持信息（SI）文件包含进一步的图像和实验细节。

作者贡献
所有作者都参与了稿件的准备并批准了稿件的最终版本。图形摘要使用晶体观察软件、BioRender.com和Blender绘制，图10中的可能机制使用BioRender.com创建。

CRediT作者贡献声明
Kumar Chandana：撰写初稿，方法学。Asharani B. Gundurao：方法学，调查，数据管理。Anubhav Ghosha：撰写初稿，验证，监督。Komal Jaiswal：撰写初稿，验证，监督。Kalappa Prashantha：可视化，验证，项目管理，数据管理。Sudhanva M. Srinivasa：撰写-审阅与编辑，撰写初稿，验证，监督。Yarabahally R. Girish：撰写-审阅与编辑，

资金来源
Chandana. K感谢Adichunchanagiri大学提供博士研究奖学金。

利益冲突声明
作者声明，没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本报告的工作。

致谢
我们感谢Adichunchanagiri大学分子医学研究所研究与创新中心、Adichunchanagiri自然科学院的支持。我们也感谢Shobith Rangappa博士提供基础设施和实验室设施。

作者简介
Kumar Chandana在SAFGC Channarayapatna获得理学学士学位，该学院隶属于迈索尔大学，并于2023年在Adichunchanagiri大学获得化学理学硕士学位。她目前在Adichunchanagiri大学自然科学院攻读博士学位。她的研究兴趣包括纳米材料的合成和表征，主要是过渡金属二硫化物（TMDs）、金属有机框架（MOFs）及其衍生复合材料，用于抗菌应用。她在国际期刊上发表了多篇论文，并在多个会议上展示了她的工作。

Asharani B. Gundurao在迈索尔大学获得化学理学学士和硕士学位，并在印度科学理工学院获得博士学位。她的研究兴趣包括纳米材料的合成和表征，主要用于生物医学应用。她在国际期刊上发表了多篇论文。

Anubhav Ghosha在印度加尔各答大学获得化学理学学士和硕士学位，并在印度科学理工学院获得博士学位。他的研究兴趣包括纳米材料的合成和表征，主要用于催化应用。他在国际期刊上发表了多篇论文。

Komal Jaiswal在印度瓦拉纳西的巴纳拉斯印度大学获得化学理学学士和硕士学位，并在印度科学理工学院获得博士学位。她的研究兴趣包括纳米材料的合成和表征，主要用于生物医学应用。她在国际期刊上发表了多篇论文。

Kalappa Prashantha在印度迈索尔大学获得化学理学学士和硕士学位，并在印度科学理工学院获得博士学位。他的研究兴趣包括纳米材料的合成和表征，主要用于催化应用。他在国际期刊上发表了多篇论文。

Sudhanva M. Srinivasa在印度班加罗尔大学获得化学理学学士和硕士学位，并在印度科学理工学院获得博士学位。他的研究兴趣包括纳米材料的合成和表征，主要用于生物医学应用。他在国际期刊上发表了多篇论文。

Yarabahally R. Girish在印度迈索尔大学获得化学理学学士和硕士学位，并在印度科学理工学院获得博士学位。他的研究兴趣包括纳米材料的合成和表征，主要用于生物医学应用。他在国际期刊上发表了多篇论文。